La respiración líquida es una forma de respiración en la que un organismo que normalmente respira aire respira un líquido rico en oxígeno (como un perfluorocarbono ), en lugar de respirar aire .
Respiración líquida | |
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Malla | D021061 |
Al seleccionar un líquido que sea capaz de contener grandes cantidades de oxígeno y CO 2 , se puede producir un intercambio de gases. [1]
Esto requiere ciertas propiedades físicas como la solubilidad del gas respiratorio, la densidad, la viscosidad, la presión de vapor y la solubilidad en lípidos que tienen algunos perfluoroquímicos . [2] Por lo tanto, es fundamental elegir el PFC adecuado para una aplicación biomédica específica, como ventilación líquida, administración de fármacos o sustitutos de la sangre. Las propiedades físicas de los líquidos PFC varían sustancialmente; sin embargo, la única propiedad común es su alta solubilidad para los gases respiratorios. De hecho, estos líquidos transportan más oxígeno y dióxido de carbono que la sangre. [3]
En teoría, la respiración líquida podría ayudar en el tratamiento de pacientes con traumatismos pulmonares o cardíacos graves , especialmente en casos pediátricos. También se ha propuesto la respiración líquida para su uso en buceo profundo [4] [5] [6] y viajes espaciales . [7] [8] A pesar de algunos avances recientes en la ventilación líquida, aún no se ha establecido un modo estándar de aplicación.
Enfoques
Solubilidad de gas | |
Oxígeno | 33–66 ml / 100 ml de PFC |
Dióxido de carbono | 140–166 ml / 100 ml de PFC |
Presión de vapor | 0,2 a 400 torr |
Densidad | 1,58 a 2,0 g / ml |
Viscosidad | 0,8–8,0 cS |
Debido a que la respiración líquida es todavía una técnica altamente experimental, existen varios enfoques propuestos.
Ventilación líquida total
Aunque la ventilación líquida total (TLV) con pulmones completamente llenos de líquido puede ser beneficiosa, [9] el complejo sistema de tubos llenos de líquido requerido es una desventaja en comparación con la ventilación por gas: el sistema debe incorporar un oxigenador de membrana , calentador y bombas para administrar y extraer de los pulmones alícuotas de volumen corriente de perfluorocarbono acondicionado (PFC). Un grupo de investigación liderado por Thomas H. Shaffer ha sostenido que con el uso de microprocesadores y nueva tecnología, es posible mantener un mejor control de las variables respiratorias como la capacidad residual funcional líquida y el volumen corriente durante el TLV que con la ventilación con gas. [2] [10] [11] [12] En consecuencia, la ventilación líquida total necesita un ventilador líquido dedicado similar a un ventilador médico, excepto que utiliza un líquido respirable. Muchos prototipos se utilizan para la experimentación con animales , pero los expertos recomiendan el desarrollo continuo de un ventilador líquido para aplicaciones clínicas. [13] El ventilador líquido preclínico específico (Inolivent) se encuentra actualmente en desarrollo conjunto en Canadá y Francia . [14] La principal aplicación de este ventilador líquido es la inducción ultrarrápida de hipotermia terapéutica después de un paro cardíaco . Se ha demostrado que esto es más protector que el método de enfriamiento más lento después de un paro cardíaco experimental. [15]
Ventilación de líquido parcial
Por el contrario, la ventilación líquida parcial (PLV) es una técnica en la que se instila un PFC en el pulmón hasta un volumen que se aproxima a la capacidad residual funcional (aproximadamente el 40% de la capacidad pulmonar total ). La ventilación mecánica convencional proporciona respiraciones de volumen corriente encima. Este modo de ventilación líquida parece en la actualidad tecnológicamente más factible que la ventilación líquida total, porque PLV podría utilizar la tecnología actualmente en vigor en muchas unidades de cuidados intensivos neonatales (UCIN) en todo el mundo.
La influencia de PLV en la oxigenación, la eliminación de dióxido de carbono y la mecánica pulmonar se ha investigado en varios estudios con animales utilizando diferentes modelos de lesión pulmonar. [16] Se notificaron aplicaciones clínicas de PLV en pacientes con síndrome de dificultad respiratoria aguda (SDRA), síndrome de aspiración de meconio , hernia diafragmática congénita y síndrome de dificultad respiratoria (SDR) de recién nacidos . Para llevar a cabo PLV de manera correcta y efectiva, es esencial
- Dosificar adecuadamente a un paciente a un volumen pulmonar específico (10-15 ml / kg) para reclutar volumen alveolar.
- Vuelva a dosificar el pulmón con PFC líquido (1-2 ml / kg / h) para oponerse a la evaporación de PFC del pulmón.
Si el líquido PFC no se mantiene en el pulmón, PLV no puede proteger eficazmente el pulmón de las fuerzas biofísicas asociadas con el ventilador de gas.
Se han desarrollado nuevos modos de aplicación para PFC. [17]
La ventilación líquida parcial (PLV) implica llenar los pulmones con un líquido. Este líquido es perfluorocarbono, también llamado Liquivent o Perflubron. El líquido tiene algunas propiedades únicas. Tiene una tensión superficial muy baja, similar al surfactante, una sustancia que se produce en los pulmones para evitar que los alvéolos colapsen y se peguen durante la exhalación. También tiene una alta densidad, el oxígeno se difunde fácilmente a través de él y puede tener algunas propiedades antiinflamatorias. En PLV, los pulmones se llenan con el líquido, luego se ventila al paciente con un ventilador convencional utilizando una estrategia de ventilación pulmonar protectora. A esto se le llama ventilación líquida parcial. La esperanza es que el líquido ayude al transporte de oxígeno a las partes del pulmón que están inundadas y llenas de desechos, ayude a eliminar estos desechos y abra más alvéolos, mejorando la función pulmonar. El estudio de PLV implica la comparación con la estrategia de ventilación protocolizada diseñada para minimizar el daño pulmonar. [18] [19]
Vapor de PFC
Se ha demostrado que la vaporización de perfluorohexano con dos vaporizadores anestésicos calibrados para perfluorohexano mejora el intercambio de gases en las lesiones pulmonares inducidas por ácido oleico en ovejas. [20]
Los PFC predominantemente con alta presión de vapor son adecuados para la vaporización.
Aerosol-PFC
Con perfluorooctano en aerosol , se demostró una mejora significativa de la oxigenación y la mecánica pulmonar en ovejas adultas con lesión pulmonar inducida por ácido oleico.
En tensioactivos - empobrecido lechones , mejora persistente de la mecánica de intercambio de gases y de pulmón se demostró con Aerosol-PFC. [21] El dispositivo de aerosol es de importancia decisiva para la eficacia de la aerosolización de PFC, ya que se ha demostrado que la aerosolización de PF5080 (un FC77 menos purificado ) es ineficaz con un dispositivo de aerosol diferente en conejos con agotamiento de surfactante. La ventilación líquida parcial y el Aerosol-PFC redujeron la respuesta inflamatoria pulmonar . [22]
Usos propuestos
Buceo
La presión del gas aumenta con la profundidad, aumentando 1 bar (14,5 psi (100 kPa)) cada 10 metros a más de 1000 bar en el fondo de la Fosa de las Marianas . El buceo se vuelve más peligroso a medida que aumenta la profundidad y el buceo profundo presenta muchos peligros . Todos los animales que respiran en la superficie están sujetos a la enfermedad por descompresión , incluidos los mamíferos acuáticos [23] y los humanos que bucean en apnea (ver taravana ). Respirar profundamente puede causar narcosis por nitrógeno y toxicidad por oxígeno . Contener la respiración mientras se asciende después de respirar profundamente puede causar embolias gaseosas , estallido de pulmón y colapso pulmonar .
Las mezclas especiales de gases respirables como trimix o heliox reducen el riesgo de narcosis por nitrógeno, pero no lo eliminan. Heliox elimina aún más el riesgo de narcosis por nitrógeno, pero introduce el riesgo de temblores de helio por debajo de aproximadamente 500 pies (150 m). Los trajes de buceo atmosféricos mantienen la presión corporal y respiratoria a 1 bar, eliminando la mayoría de los peligros de descender, ascender y respirar en profundidad. Sin embargo, los trajes rígidos son voluminosos, torpes y muy caros.
La respiración líquida ofrece una tercera opción, [4] [24] que promete la movilidad disponible con los trajes de buceo flexibles y los riesgos reducidos de los trajes rígidos. Con líquido en los pulmones, la presión dentro de los pulmones del buceador podría adaptarse a los cambios en la presión del agua circundante sin las enormes exposiciones de presión parcial de gas que se requieren cuando los pulmones están llenos de gas. La respiración líquida no daría como resultado la saturación de los tejidos corporales con nitrógeno o helio a alta presión que ocurre con el uso de no líquidos, por lo que reduciría o eliminaría la necesidad de una descompresión lenta .
Sin embargo, surge un problema importante de la alta viscosidad del líquido y la correspondiente reducción de su capacidad para eliminar el CO 2 . [4] [25] Todos los usos de la respiración líquida para el buceo deben involucrar la ventilación líquida total (ver arriba). La ventilación de líquido total, sin embargo, tiene dificultades para mover suficiente líquido para eliminar el CO 2 , porque no importa cuán grande sea la presión total, la cantidad de presión de gas de CO 2 parcial disponible para disolver el CO 2 en el líquido respirable nunca puede ser mucho mayor que la presión a la que existe el CO 2 en la sangre (unos 40 mm de mercurio ( Torr )). [25]
A estas presiones, la mayoría de los fluorocarbonos líquidos requieren alrededor de 70 ml / kg de volúmenes de ventilación por minuto de líquido (alrededor de 5 l / min para un adulto de 70 kg) para eliminar suficiente CO 2 para el metabolismo normal en reposo. [26] Se trata de una gran cantidad de fluido para mover, especialmente porque los líquidos son más viscosos y más densos que los gases (por ejemplo, el agua tiene aproximadamente 850 veces la densidad del aire [27] ). Cualquier aumento en la actividad metabólica del buceador también aumenta la producción de CO 2 y la frecuencia respiratoria, que ya se encuentra en los límites de las tasas de flujo realistas en la respiración líquida. [4] [28] [29] Parece poco probable que una persona mueva 10 litros / min de líquido fluorocarbonado sin la ayuda de un ventilador mecánico, por lo que la "respiración libre" puede ser poco probable. Sin embargo, se ha sugerido que un sistema de respiración líquido podría combinarse con un lavador de CO 2 conectado al suministro de sangre del buceador; se ha presentado una patente estadounidense para dicho método. [30] [31]
Tratamiento médico
El área más prometedora para el uso de ventilación líquida es el campo de la medicina pediátrica . [32] [33] [34] El primer uso médico de la respiración líquida fue el tratamiento de bebés prematuros [35] [36] [37] [38] y adultos con síndrome de dificultad respiratoria aguda (SDRA) en la década de 1990. La respiración líquida se utilizó en ensayos clínicos después del desarrollo por Alliance Pharmaceuticals del bromuro de perfluorooctilo fluoroquímico , o perflubron para abreviar. Los métodos actuales de ventilación con presión positiva pueden contribuir al desarrollo de enfermedades pulmonares en recién nacidos prematuros , lo que conduce a enfermedades como la displasia broncopulmonar . La ventilación líquida elimina muchos de los gradientes de alta presión responsables de este daño. Además, se ha demostrado que los perfluorocarbonos reducen la inflamación pulmonar, [39] [40] [41] mejoran el desajuste ventilación-perfusión y proporcionan una nueva ruta para la administración pulmonar de fármacos . [39] [42] [43]
Con el fin de explorar las técnicas de administración de fármacos que serían útiles para la ventilación líquida tanto parcial como total, estudios más recientes se han centrado en la administración de fármacos PFC utilizando una suspensión de nanocristales. La primera imagen es un modelo informático de un líquido PFC (perflubron) combinado con moléculas de gentamicina.
La segunda imagen muestra resultados experimentales que comparan los niveles plasmáticos y tisulares de gentamicina después de una dosis intratraqueal (IT) e intravenosa (IV) de 5 mg / kg en un cordero recién nacido durante la ventilación con gas. Tenga en cuenta que los niveles plasmáticos de la dosis intravenosa superan en gran medida los niveles de la dosis IT durante el período de estudio de 4 horas; mientras que los niveles de gentamicina en el tejido pulmonar cuando se administra mediante una suspensión intratraqueal (IT) superan uniformemente el enfoque de administración intravenosa (IV) después de 4 horas. Por lo tanto, el enfoque de TI permite una administración más eficaz del fármaco al órgano diana mientras se mantiene un nivel más seguro sistémicamente. Ambas imágenes representan el curso de tiempo in vivo durante 4 horas. Numerosos estudios han demostrado ahora la eficacia de los líquidos PFC como vehículo de suministro a los pulmones. [44] [45] [46] [47] [43] [48] [42] [49] [39] [50]
Se realizaron ensayos clínicos con bebés, niños y adultos prematuros. Dado que la seguridad del procedimiento y la efectividad fueron evidentes desde una etapa temprana, la Administración de Drogas y Alimentos de los EE. UU . (FDA) otorgó al producto el estado de "vía rápida" (es decir, una revisión acelerada del producto, diseñada para que el público lo llegue a tan rápido como sea posible con seguridad) debido a su potencial para salvar vidas. Los ensayos clínicos demostraron que el uso de perflubron con ventiladores ordinarios mejoraba los resultados tanto como el uso de ventilación oscilante de alta frecuencia (VAFO). Pero debido a que el perflubron no era mejor que la HFOV, la FDA no aprobó el perflubron y Alliance ya no persigue la aplicación de ventilación líquida parcial. Si el perflubron mejoraría los resultados cuando se usa con la VOAF o si tiene menos consecuencias a largo plazo que la VOAF sigue siendo una pregunta abierta.
En 1996, Mike Darwin y Steven B. Harris propusieron el uso de ventilación líquida fría con perfluorocarbono para reducir rápidamente la temperatura corporal de las víctimas de un paro cardíaco y otros traumatismos cerebrales para permitir que el cerebro se recupere mejor. [51] La tecnología pasó a llamarse ventilación de gas / líquido (GLV) y se demostró que podía alcanzar una velocidad de enfriamiento de 0,5 ° C por minuto en animales grandes. [52] Aún no se ha probado en humanos.
Más recientemente, la protección cerebral hipotérmica se ha asociado con un enfriamiento cerebral rápido. En este sentido, un nuevo enfoque terapéutico es el uso de aerosoles perfluoroquímicos intranasales para el enfriamiento preferencial del cerebro. [53] El abordaje nasofaríngeo (NP) es único para el enfriamiento del cerebro debido a la proximidad anatómica a la circulación y las arterias cerebrales. Con base en estudios preclínicos en ovejas adultas, se demostró que, independientemente de la región, el enfriamiento del cerebro fue más rápido durante el NP-perfluoroquímico que el enfriamiento convencional de todo el cuerpo con mantas de enfriamiento. Hasta la fecha, se han realizado cuatro estudios en humanos, incluido un estudio completo aleatorizado durante la detención (200 pacientes). [54] [55] Los resultados demostraron claramente que el enfriamiento transnasal intra-paro prehospitalario es seguro, factible y está asociado con una mejora en el tiempo de enfriamiento.
Viaje espacial
Inmersión en líquido proporciona una manera de reducir el estrés físico de fuerzas G . Las fuerzas aplicadas a los fluidos se distribuyen como presiones omnidireccionales. Debido a que los líquidos no se pueden comprimir prácticamente, no cambian de densidad bajo altas aceleraciones, como las que se realizan en maniobras aéreas o viajes espaciales. Una persona sumergida en un líquido de la misma densidad que el tejido tiene fuerzas de aceleración distribuidas alrededor del cuerpo, en lugar de aplicarse en un solo punto, como un asiento o las correas del arnés. Este principio se utiliza en un nuevo tipo de traje G llamado Libelle G-suit, que permite a los pilotos de aviones permanecer conscientes y funcionando a más de 10 g de aceleración rodeándolos de agua con un traje rígido. [ cita requerida ]
Protección por inmersión de aceleración de líquido está limitada por la densidad diferencial de los tejidos corporales y fluido de inmersión, lo que limita la utilidad de este método a aproximadamente 15 g a 20 g . [56] Para extender la protección contra la aceleración más allá de los 20 g, es necesario llenar los pulmones con un líquido de densidad similar al agua. Un astronauta totalmente sumergido en líquido, con líquido dentro de todas las cavidades del cuerpo, sentirá poco efecto de las fuerzas G extremas porque las fuerzas sobre un líquido se distribuyen por igual y en todas las direcciones simultáneamente. Sin embargo, los efectos se sentirán debido a las diferencias de densidad entre los diferentes tejidos corporales, por lo que todavía existe un límite superior de aceleración.
La respiración líquida para la protección contra la aceleración puede que nunca sea práctica debido a la dificultad de encontrar un medio de respiración adecuado de densidad similar al agua que sea compatible con el tejido pulmonar. Los fluidos de perfluorocarbono son dos veces más densos que el agua, por lo que no son adecuados para esta aplicación. [3]
Ejemplos de ficción
Obras literarias
- La novela de ciencia ficción de 1928 de Alexander Beliaev El hombre anfibio se basa en un científico y un cirujano rebelde, que hace de su hijo, Ichthyander (etimología: "pez" + "hombre") un trasplante que salva vidas: un conjunto de branquias de tiburón. Hay una película basada en la novela.
- El cuento de 1938 de L. Sprague de Camp " The Merman " gira en torno a un proceso experimental para hacer que los pulmones funcionen como branquias, permitiendo así que un ser humano "respire" bajo el agua.
- La novela Ocean on Top de Hal Clement , de 1973 , retrata a una pequeña civilización submarina que vive en una "burbuja" de fluido oxigenado más denso que el agua de mar.
- La novela de Joe Haldeman de 1975 The Forever War describe la inmersión líquida y la respiración con gran detalle como una tecnología clave para permitir los viajes espaciales y el combate con una aceleración de hasta 50 G.
- En el Star Trek: The Next Generation novela Los hijos de Hamlin (1988) la tripulación de la Empresa -D encontrar una raza extraterrestre cuyos barcos contener un medio líquido transpirable.
- La novela White Shark de Peter Benchley de 1994 se centra en los intentos experimentales de un científico nazi de crear un ser humano anfibio , cuyos pulmones se modifican quirúrgicamente para respirar bajo el agua, y se entrenan para hacerlo reflexivamente después de haber sido inundado con una solución de fluorocarbono.
- La novela de Star Trek de 1994 de Judith y Garfield Reeves-Stevens , Federation, explica que antes de la invención del amortiguador inercial , el estrés de la aceleración de alta G requería que los pilotos de naves estelares se sumergieran en cápsulas llenas de líquido, respirando una solución salina rica en oxígeno para evitar sus pulmones de ser aplastados.
- La novela Slow River de Nicola Griffith (1995) presenta una escena de sexo que ocurre dentro de una piscina de perflurocarbono rosa plateado de veinte pies cúbicos, con la sensación descrita como "como respirar un puño".
- La novela Júpiter (2000) de Ben Bova presenta una nave en la que la tripulación está suspendida en un líquido respirable que les permite sobrevivir en el ambiente de alta presión de la atmósfera de Júpiter .
- En la novela de ciencia ficción de Scott Westerfeld The Risen Empire (2003), los pulmones de los soldados que realizan la inserción desde la órbita están llenos de un gel de polímero rico en oxígeno con pseudoalvéolos incrustados y una inteligencia artificial rudimentaria . [57]
- La novela Mechanicum (2008) de Graham McNeill , Libro 9 de la serie de libros Horus Heresy , describe a pilotos de Titán (gigantesca máquina de guerra) físicamente lisiados encerrados en tanques de fluidos nutritivos. Esto les permite seguir operando más allá de los límites normalmente impuestos por el organismo. [58]
- En la novela de 2009 El símbolo perdido de Dan Brown , Robert Langdon (el protagonista) está completamente sumergido en un líquido respirable mezclado con químicos alucinógenos y sedantes como una técnica de tortura e interrogatorio por Mal'akh (el antagonista). Pasa por una experiencia cercana a la muerte cuando inhala el líquido y se desmaya , perdiendo el control sobre su cuerpo, pero pronto revive.
- En la novela California Bones de Greg van Eekhout de 2014 , se colocan dos personajes en tanques llenos de líquido: "No se les dio aparato respiratorio, pero el agua del tanque era rica en perfluorocarbono, que transportaba más oxígeno que sangre". [59]
- En la novela de ciencia ficción del autor AL Mengel The Wandering Star (2016), varios personajes respiran líquido oxigenado durante una inmersión para explorar una ciudad submarina. Se sumergen en "burbujas" de alta presión llenas de fluido perfluorocarbonado .
- En Tiamat's Wrath , una novela de 2019 de la serie The Expanse de James SA Corey , el imperio laconiano utiliza una nave con cápsulas de respiración líquida de inmersión total que permiten a la tripulación experimentar fuerzas g significativamente mayores. Como los motores de fusión potentes y de bajo consumo de combustible de la serie han hecho que las únicas limitaciones prácticas de la aceleración de un barco sean la capacidad de supervivencia de la tripulación, esto hace que el barco sea el más rápido de todo el espacio colonizado por humanos.
Cine y television
- Los extranjeros en el Gerry Anderson UFO serie (1970-1971) utilizan trajes espaciales-respiración líquidos.
- La película de 1989 The Abyss de James Cameron presenta a un personaje que usa la respiración líquida para sumergirse miles de pies sin comprimir. The Abyss también presenta una escena con una rata sumergida y respirando líquido de fluorocarbono, filmada en la vida real. [60]
- En el anime de 1995 Neon Genesis Evangelion , las cabinas del mecha titular están llenas de un líquido oxigenado ficticio llamado LCL que se requiere para que el piloto se sincronice mentalmente con un Evangelion, además de proporcionar oxigenación directa de su sangre y amortiguar los impactos. de la batalla. Una vez que la cabina se inunda, el LCL se ioniza, lo que hace que su densidad, opacidad y viscosidad se acerquen a las del aire.
- En la película Mission to Mars (2000), se representa a un personaje sumergido en un fluido aparentemente respirable antes de un lanzamiento de alta aceleración.
- En la temporada 1, episodio 13 de Seven Days (1998-2001), se ve al crononauta Frank Parker respirando un líquido de perfluorocarbono hiperoxigenado que se bombea a través de un traje de cuerpo completo sellado que lleva puesto. Esta combinación de traje y líquido le permite abordar un submarino ruso a través del océano abierto a una profundidad de casi 1000 pies. Al abordar el submarino se quita el casco, expulsa el líquido de los pulmones y es capaz de volver a respirar aire.
- En un episodio de la serie de dibujos animados de Adult Swim Metalocalypse (2006-2013), los otros miembros de la banda sumergen al guitarrista Toki en una "cámara de aislamiento de oxígeno líquido" mientras graban un álbum en la Fosa de las Marianas .
- En un episodio del programa de Syfy Channel Eureka (2006-2012), el sheriff Jack Carter se sumerge en un tanque de " plasma rico en oxígeno " para curarse de los efectos de un accidente científico.
- En la serie de anime Aldnoah.Zero (2014-2015), el episodio 5 muestra que Slaine Troyard estaba en una cápsula llena de líquido cuando se estrelló. Princess Asseylum presenció el accidente, lo ayudó a salir de la cápsula y luego usó RCP en él para extraer el líquido de sus pulmones.
Videojuegos
- En el clásico juego de estrategia por turnos para PC de 1995 X-COM: Terror from the Deep , los "Aquanauts" que luchan en las profundidades del océano respiran un fluido denso que transporta oxígeno.
- En EVE Online Universe (2003), los pilotos en cápsulas (cápsulas de escape que funcionan como el centro de control de la nave espacial) respiran una solución de suspensión a base de glucosa respirable , nano-saturada y rica en oxígeno . [61]
Ver también
- Branquias artificiales (humanas)
- Respirar gas
- Ventilador de líquidos
- Ventilacion mecanica
Referencias
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enlaces externos
- Aquí, respira este líquido , de la revista Discover
- Miracle Girl , de Reader's Digest