Respiração líquida - Liquid breathing

Respiração líquida
Perflubron e moléculas de gentamicina.png
Modelo gerado por computador de moléculas de perflubron e gentamicina em suspensão líquida para administração pulmonar
Malha D021061

A respiração líquida é uma forma de respiração na qual um organismo que normalmente respira ar respira um líquido rico em oxigênio (como um perfluorocarbono ), em vez de respirar o ar .

Ao selecionar um líquido que é capaz de reter grandes quantidades de oxigênio e CO 2 , pode ocorrer a troca gasosa.

Isso requer certas propriedades físicas, como solubilidade do gás respiratório, densidade, viscosidade, pressão de vapor e solubilidade lipídica que alguns perfluoroquímicos (PFCs) possuem. Portanto, é fundamental escolher o PFC apropriado para uma aplicação biomédica específica, como ventilação líquida, administração de medicamentos ou substitutos do sangue. As propriedades físicas dos líquidos PFC variam substancialmente; no entanto, a única propriedade comum é sua alta solubilidade para gases respiratórios. Na verdade, esses líquidos transportam mais oxigênio e dióxido de carbono do que sangue.

Em teoria, a respiração de líquidos poderia auxiliar no tratamento de pacientes com traumas pulmonares ou cardíacos graves , principalmente em casos pediátricos. A respiração líquida também foi proposta para uso em mergulho profundo e viagens espaciais . Apesar de alguns avanços recentes na ventilação líquida, um modo padrão de aplicação ainda não foi estabelecido.

Abordagens

Propriedades físico-químicas (37 ° C a 1 atm) de 18 líquidos perfluoroquímicos usados ​​para aplicações biomédicas. Esta tabela caracteriza as propriedades físicas mais significativas relacionadas à fisiologia sistêmica e sua gama de propriedades.
Solubilidade de gás
Oxigênio 33-66 mL / 100 mL PFC
Dióxido de carbono 140-166 mL / 100 mL PFC
Pressão de vapor 0,2-400 torr
Densidade 1,58–2,0 g / mL
Viscosidade 0,8-8,0 cS
Modelos computacionais de três moléculas perfluorquímicas usadas para aplicações biomédicas e para estudos de ventilação de líquidos: a) FC-75 , b) perflubron ec) perfluorodecalina .

Como a respiração de líquido ainda é uma técnica altamente experimental, existem várias abordagens propostas.

Ventilação líquida total

Embora a ventilação líquida total (TLV) com pulmões completamente cheios de líquido possa ser benéfica, o complexo sistema de tubo cheio de líquido necessário é uma desvantagem em comparação com a ventilação de gás - o sistema deve incorporar um oxigenador de membrana , aquecedor e bombas para fornecer, e remover dos pulmões alíquotas de volume corrente de perfluorocarbono condicionado (PFC). Um grupo de pesquisa liderado por Thomas H. Shaffer afirmou que, com o uso de microprocessadores e novas tecnologias, é possível manter um controle melhor das variáveis ​​respiratórias, como capacidade residual funcional de líquido e volume corrente durante o TLV do que com a ventilação a gás. Conseqüentemente, a ventilação líquida total necessita de um ventilador líquido dedicado semelhante a um ventilador médico, exceto que usa um líquido respirável. Muitos protótipos são usados ​​para experimentação animal , mas os especialistas recomendam o desenvolvimento contínuo de um ventilador líquido para aplicações clínicas. Ventilador líquido pré-clínico específico (Inolivent) está atualmente em desenvolvimento conjunto no Canadá e na França . A principal aplicação deste ventilador líquido é a indução ultra-rápida de hipotermia terapêutica após uma parada cardíaca . Isso tem demonstrado ser mais protetor do que o método de resfriamento mais lento após a parada cardíaca experimental.

Ventilação líquida parcial

Em contraste, a ventilação líquida parcial (PLV) é uma técnica em que um PFC é instilado no pulmão em um volume próximo à capacidade residual funcional (aproximadamente 40% da capacidade pulmonar total ). A ventilação mecânica convencional fornece respirações de volume corrente em cima dela. Atualmente, esse modo de ventilação líquida parece tecnologicamente mais viável do que a ventilação líquida total, porque a PLV poderia utilizar a tecnologia atualmente em vigor em muitas unidades de terapia intensiva neonatal (UTIN) em todo o mundo.

A influência do PLV na oxigenação, na remoção do dióxido de carbono e na mecânica pulmonar foi investigada em vários estudos em animais usando diferentes modelos de lesão pulmonar. Aplicações clínicas de PLV foram relatadas em pacientes com síndrome do desconforto respiratório agudo (SDRA), síndrome de aspiração de mecônio , hérnia diafragmática congênita e síndrome do desconforto respiratório (SDR) de neonatos . Para conduzir o PLV de maneira correta e eficaz, é essencial

  1. dosar adequadamente um paciente para um volume pulmonar específico (10-15 ml / kg) para recrutar o volume alveolar
  2. redose o pulmão com PFC líquido (1–2 ml / kg / h) para impedir a evaporação do PFC do pulmão.

Se o PFC líquido não for mantido no pulmão, o PLV não pode proteger efetivamente o pulmão das forças biofísicas associadas ao ventilador a gás.

Novos modos de aplicação para PFC foram desenvolvidos.

A ventilação líquida parcial (PLV) envolve encher os pulmões com um líquido. Este líquido é um perfluorocarbono como o perflubron (nome comercial Liquivent). O líquido tem algumas propriedades únicas. Tem uma tensão superficial muito baixa, semelhante às substâncias surfactantes produzidas nos pulmões para evitar que os alvéolos entrem em colapso e grudem durante a expiração. Ele também tem uma alta densidade, o oxigênio se difunde facilmente através dele e pode ter algumas propriedades antiinflamatórias. No PLV, os pulmões são preenchidos com o líquido e o paciente é ventilado com um ventilador convencional usando uma estratégia de ventilação pulmonar protetora. A esperança é que o líquido ajude no transporte de oxigênio para partes do pulmão que estão inundadas e cheias de detritos, ajude a remover esses detritos e abrir mais alvéolos, melhorando a função pulmonar. O estudo de PLV envolve a comparação com a estratégia de ventilação protocolizada projetada para minimizar os danos aos pulmões.

Vapor de PFC

A vaporização de perfluorohexano com dois vaporizadores anestésicos calibrados para perfluorohexano demonstrou melhorar a troca gasosa em lesões pulmonares induzidas por ácido oleico em ovelhas.

Predominantemente, os PFCs com alta pressão de vapor são adequados para vaporização.

Aerosol-PFC

Com perfluorooctano aerossolizado , melhora significativa da oxigenação e da mecânica pulmonar foi mostrada em ovelhas adultas com lesão pulmonar induzida por ácido oleico.

Em surfactante - empobrecido leitões , melhoria persistente da mecânica de trocas gasosas e pulmão foi demonstrada com Aerosol-PFC. O dispositivo de aerossol é de importância decisiva para a eficácia da aerossolização de PFC, uma vez que a aerossolização de PF5080 (um FC77 menos purificado ) se mostrou ineficaz usando um dispositivo de aerossol diferente em coelhos depletados de surfactante. Ventilação líquida parcial e Aerosol-PFC reduziram a resposta inflamatória pulmonar .

Usos propostos

Mergulhando

A pressão do gás aumenta com a profundidade, aumentando 1 bar (14,5 psi (100 kPa)) a cada 10 metros para mais de 1.000 bar no fundo da Fossa de Mariana . O mergulho se torna mais perigoso à medida que a profundidade aumenta, e o mergulho profundo apresenta muitos perigos . Todos os animais que respiram pela superfície estão sujeitos à doença da descompressão , incluindo mamíferos aquáticos e humanos que mergulham em liberdade (ver taravana ). Respirar em profundidade pode causar narcose por nitrogênio e toxicidade por oxigênio . Prender a respiração enquanto sobe após respirar em profundidade pode causar embolias de ar , estouro do pulmão e colapso do pulmão .

Misturas especiais de gases respiratórios , como trimix ou heliox, reduzem o risco de narcose por nitrogênio, mas não o eliminam. Heliox elimina ainda mais o risco de narcose por nitrogênio, mas introduz o risco de tremores de hélio abaixo de cerca de 500 pés (150 m). Os trajes de mergulho atmosféricos mantêm a pressão corporal e respiratória em 1 bar, eliminando a maioria dos riscos de descer, subir e respirar em profundidade. No entanto, os trajes rígidos são volumosos, desajeitados e muito caros.

A respiração líquida oferece uma terceira opção, prometendo a mobilidade disponível com roupas de mergulho flexíveis e os riscos reduzidos das roupas rígidas. Com líquido nos pulmões, a pressão dentro dos pulmões do mergulhador poderia acomodar mudanças na pressão da água circundante sem as enormes exposições de pressão parcial de gás exigidas quando os pulmões estão cheios de gás. A respiração de líquidos não resultaria na saturação dos tecidos corporais com nitrogênio ou hélio de alta pressão que ocorre com o uso de não líquidos, reduzindo ou eliminando a necessidade de descompressão lenta .

Um problema significativo, no entanto, surge da alta viscosidade do líquido e a redução correspondente em sua capacidade de remover CO 2 . Todos os usos da respiração de líquidos para mergulho devem envolver ventilação líquida total (veja acima). A ventilação líquida total, no entanto, tem dificuldade em mover líquido suficiente para transportar o CO 2 , porque não importa quão grande seja a pressão total, a quantidade de pressão parcial do gás CO 2 disponível para dissolver o CO 2 no líquido respiratório nunca pode ser muito maior do que a pressão na qual o CO 2 existe no sangue (cerca de 40 mm de mercúrio ( Torr )).

Nessas pressões, a maioria dos líquidos de fluorocarbono requer volumes de ventilação por minuto de cerca de 70 mL / kg de líquido (cerca de 5 L / min para um adulto de 70 kg) para remover CO 2 suficiente para o metabolismo normal de repouso. É uma grande quantidade de fluido para mover, particularmente porque os líquidos são mais viscosos e mais densos do que os gases (por exemplo, a água tem cerca de 850 vezes a densidade do ar). Qualquer aumento na atividade metabólica do mergulhador também aumenta a produção de CO 2 e a taxa de respiração, que já está nos limites das taxas de fluxo realistas na respiração de líquidos. Parece improvável que uma pessoa mova 10 litros / min de fluorocarbono líquido sem a ajuda de um ventilador mecânico, portanto, a "respiração livre" pode ser improvável. No entanto, foi sugerido que um sistema de respiração de líquido poderia ser combinado com um purificador de CO 2 conectado ao suprimento de sangue do mergulhador; uma patente nos Estados Unidos foi registrada para tal método.

Tratamento médico

A área mais promissora para o uso da ventilação líquida é a área da medicina pediátrica . O primeiro uso médico da respiração de líquidos foi o tratamento de bebês prematuros e adultos com síndrome da angústia respiratória aguda (SDRA) na década de 1990. A respiração líquida foi usada em ensaios clínicos após o desenvolvimento pela Alliance Pharmaceuticals do brometo de perfluorooctilo fluoroquímico , ou perflubron, para abreviar. Os métodos atuais de ventilação com pressão positiva podem contribuir para o desenvolvimento de doenças pulmonares em neonatos prematuros , levando a doenças como a displasia broncopulmonar . A ventilação líquida remove muitos dos gradientes de alta pressão responsáveis ​​por esses danos. Além disso, foi demonstrado que os perfluorocarbonos reduzem a inflamação pulmonar, melhoram a incompatibilidade ventilação-perfusão e fornecem uma nova via para a administração pulmonar de drogas .

A fim de explorar as técnicas de entrega de drogas que seriam úteis para ventilação líquida parcial e total, estudos mais recentes focaram na entrega de drogas de PFC usando uma suspensão de nanocristais. A primeira imagem é um modelo de computador de um líquido PFC (perflubron) combinado com moléculas de gentamicina.

A segunda imagem mostra resultados experimentais comparando os níveis plasmáticos e teciduais de gentamicina após uma dose intratraqueal (IT) e intravenosa (IV) de 5 mg / kg em um cordeiro recém-nascido durante a ventilação com gás. Observe que os níveis plasmáticos da dose IV excedem em muito os níveis da dose IT durante o período de estudo de 4 horas; ao passo que os níveis de gentamicina no tecido pulmonar quando administrados por uma suspensão intratraqueal (IT) excedem uniformemente a abordagem de administração intravenosa (IV) após 4 horas. Assim, a abordagem de TI permite a entrega mais eficaz da droga ao órgão alvo, mantendo um nível mais seguro sistemicamente. Ambas as imagens representam o curso de tempo in vivo ao longo de 4 horas. Numerosos estudos já demonstraram a eficácia dos líquidos PFC como um veículo de entrega aos pulmões.

Comparação da administração IT e IV de gentamicina.

Foram realizados ensaios clínicos com bebês, crianças e adultos prematuros. Uma vez que a segurança do procedimento e a eficácia eram evidentes desde o estágio inicial, a Food and Drug Administration (FDA) dos EUA deu ao produto o status de "via rápida" (ou seja, uma revisão acelerada do produto, projetada para divulgá-lo ao público como o mais rápido possível) devido ao seu potencial para salvar vidas. Os ensaios clínicos mostraram que o uso do perflubron com ventiladores comuns melhorou os resultados tanto quanto o uso da ventilação oscilante de alta frequência (VOAF). Mas porque o perflubron não era melhor do que a VOAF, o FDA não aprovou o perflubron e a Alliance não está mais buscando a aplicação de ventilação líquida parcial. Se o perflubron melhoraria os resultados quando usado com VOAF ou se tem menos consequências em longo prazo do que a VOAF, permanece uma questão em aberto.

Em 1996, Mike Darwin e Steven B. Harris propuseram o uso de ventilação líquida fria com perfluorocarbono para baixar rapidamente a temperatura corporal de vítimas de parada cardíaca e outros traumas cerebrais para permitir que o cérebro se recuperasse melhor. A tecnologia passou a ser chamada de ventilação gás / líquido (GLV), e se mostrou capaz de atingir uma taxa de resfriamento de 0,5 ° C por minuto em animais de grande porte. Ainda não foi testado em humanos.

Mais recentemente, a proteção cerebral hipotérmica foi associada ao resfriamento rápido do cérebro. Nesse sentido, uma nova abordagem terapêutica é o uso de spray perfluoroquímico intranasal para o resfriamento cerebral preferencial. A abordagem nasofaríngea (NP) é exclusiva para o resfriamento do cérebro devido à proximidade anatômica com a circulação e artérias cerebrais. Com base em estudos pré-clínicos em ovelhas adultas, foi demonstrado que, independente da região, o resfriamento do cérebro foi mais rápido durante NP-perfluoroquímico em comparação ao resfriamento convencional de corpo inteiro com mantas de resfriamento. Até o momento, houve quatro estudos em humanos, incluindo um estudo intra-parada randomizado completo (200 pacientes). Os resultados demonstraram claramente que o resfriamento transnasal pré-hospitalar intra-parada é seguro, viável e está associado a uma melhora no tempo de resfriamento.

Viagem ao espaço

Imersão líquido proporciona uma maneira de reduzir o stress físico de forças G . As forças aplicadas aos fluidos são distribuídas como pressões omnidirecionais. Como os líquidos não podem ser praticamente comprimidos, eles não mudam de densidade sob alta aceleração, como as realizadas em manobras aéreas ou viagens espaciais. Uma pessoa imersa em um líquido da mesma densidade que o tecido tem forças de aceleração distribuídas pelo corpo, em vez de aplicadas em um único ponto, como um assento ou tiras de arnês. Este princípio é usado em um novo tipo de G-suit chamado Libelle G-suit, que permite aos pilotos de aeronaves permanecerem conscientes e funcionando com mais de 10 g de aceleração, envolvendo-os com água em um traje rígido.

A proteção da aceleração por imersão em líquido é limitada pela densidade diferencial dos tecidos corporais e do fluido de imersão, limitando a utilidade deste método a cerca de 15 ga 20 g . Estender a proteção de aceleração além de 20 g requer encher os pulmões com fluido de densidade semelhante à água. Um astronauta totalmente imerso em líquido, com líquido dentro de todas as cavidades do corpo, sentirá pouco efeito das forças G extremas porque as forças em um líquido são distribuídas igualmente e em todas as direções simultaneamente. No entanto, os efeitos serão sentidos por causa das diferenças de densidade entre os diferentes tecidos do corpo, portanto, ainda existe um limite superior de aceleração.

A respiração de líquido para proteção de aceleração pode nunca ser prática devido à dificuldade de encontrar um meio de respiração adequado de densidade semelhante à da água que seja compatível com o tecido pulmonar. Os fluidos de perfluorocarbono são duas vezes mais densos que a água, portanto, inadequados para esta aplicação.

Exemplos de ficção

Obras literárias

  • O romance de ficção científica de Alexander Beliaev de 1928, Homem Anfíbio, é baseado em um cientista e um cirurgião rebelde, que faz de seu filho, Ichthyander (etimologia: "peixe" + "homem") um transplante que salva vidas - um conjunto de guelras de tubarão. Existe um filme baseado no romance.
  • O conto de L. Sprague de Camp de 1938 " O Tritão " depende de um processo experimental para fazer os pulmões funcionarem como guelras, permitindo assim que um ser humano "respire" debaixo d'água.
  • O romance de 1973 de Hal Clement , Ocean on Top, retrata uma pequena civilização subaquática vivendo em uma 'bolha' de fluido oxigenado mais denso que a água do mar.
  • O romance de Joe Haldeman , The Forever War, de 1975 , descreve a imersão em líquido e a respiração em grandes detalhes como uma tecnologia chave para permitir viagens espaciais e combates com aceleração de até 50 G.
  • No romance Star Trek: The Next Generation , The Children of Hamlin (1988), a tripulação da Enterprise -D encontra uma raça alienígena cujas naves contêm um ambiente líquido respirável.
  • O romance Tubarão Branco de Peter Benchley , de 1994, gira em torno das tentativas experimentais de um cientista nazista de criar um ser humano anfíbio , cujos pulmões são modificados cirurgicamente para respirar debaixo d'água, e treinados para fazê-lo reflexivamente após serem inundados com uma solução de fluorocarbono.
  • Judith e Garfield Reeves-Stevens 1994 ' Star Trek romance Federação explica que, antes da invenção do amortecedor de inércia , as tensões de alto G de aceleração requerido pilotos de naves para ser imersa em cápsulas líquidos-cheia, respirando uma solução salina rico em oxigénio para prevenir seus pulmões de serem esmagados.
  • O romance Slow River de Nicola Griffith (1995) apresenta uma cena de sexo ocorrendo dentro de uma piscina de perflurocarbono rosa prateado de seis metros cúbicos, com a sensação descrita como "como respirar um punho".
  • O romance Júpiter de Ben Bova (2000) apresenta uma nave na qual a tripulação é suspensa em um líquido respirável que permite a sobrevivência no ambiente de alta pressão da atmosfera de Júpiter .
  • No romance de ficção científica de Scott Westerfeld , The Risen Empire (2003), os pulmões dos soldados realizando a inserção a partir da órbita são preenchidos com um gel de polímero rico em oxigênio com pseudo-alvéolos incorporados e uma inteligência artificial rudimentar .
  • O romance Mechanicum (2008) de Graham McNeill , Livro 9 da série de livros Horus Heresy , descreve pilotos de Titã (máquina de guerra gigantesca) fisicamente incapacitados envoltos em tanques de fluido nutriente. Isso permite que eles continuem operando além dos limites normalmente impostos pelo organismo.
  • No romance de 2009, O Símbolo Perdido, de Dan Brown , Robert Langdon (o protagonista) está completamente submerso em um líquido respirável misturado a produtos químicos alucinógenos e sedativos como uma técnica de tortura e interrogatório de Mal'akh (o antagonista). Ele passa por uma experiência de quase morte quando inala o líquido e desmaia , perdendo o controle sobre seu corpo, mas logo é reanimado.
  • No romance de 2014 de Greg van Eekhout , California Bones , dois personagens são colocados em tanques cheios de líquido: "Eles não receberam nenhum aparelho de respiração, mas a água no tanque era rica em perfluorocarbono, que carregava mais oxigênio do que sangue."
  • No romance de ficção científica do autor AL Mengel , The Wandering Star (2016), vários personagens respiram fluido oxigenado durante um mergulho para explorar uma cidade subaquática. Eles submergem em "bolhas" de alta pressão preenchidas com o fluido de perfluorocarbono .
  • Em Tiamat's Wrath , um romance de 2019 da série The Expanse de James SA Corey , O império laconiano utiliza uma nave com cápsulas de respiração líquida em imersão total que permitem à tripulação sofrer um aumento significativo das forças g. Como os motores de fusão potentes e com baixo consumo de combustível da série tornaram as únicas limitações práticas da aceleração de uma nave a capacidade de sobrevivência da tripulação, isso torna a nave a mais rápida em todo o espaço colonizado por humanos.

Filmes e televisão

  • Os alienígenas da série de OVNIs de Gerry Anderson (1970-1971) usam trajes espaciais que respiram líquidos.
  • O filme de 1989, The Abyss, de James Cameron, apresenta um personagem que usa a respiração líquida para mergulhar milhares de metros sem se comprimir. The Abyss também apresenta uma cena com um rato submerso e respirando fluorocarbono líquido, filmado na vida real.
  • No anime Neon Genesis Evangelion de 1995 , os cockpits do mecha titular são preenchidos com um líquido oxigenado fictício chamado LCL, que é necessário para o piloto sincronizar mentalmente com um Evangelion, além de fornecer oxigenação direta de seu sangue e amortecer os impactos da batalha. Assim que a cabine é inundada, o LCL é ionizado, trazendo sua densidade, opacidade e viscosidade para perto das do ar.
  • No filme Mission to Mars (2000), um personagem é retratado como estando imerso em um fluido respirável aparente antes de um lançamento em alta aceleração.
  • Na primeira temporada, episódio 13 de Seven Days (1998-2001), o crononauta Frank Parker é visto respirando um líquido de perfluorocarbono hiperoxigenado que é bombeado através de um traje de corpo inteiro selado que ele está vestindo. Este traje e combinação de líquido permitem que ele embarque em um submarino russo através do oceano aberto a uma profundidade de quase 300 metros. Ao embarcar no submarino, ele retira o capacete, expele o líquido dos pulmões e consegue respirar novamente.
  • Em um episódio da série de desenhos animados Adult Swim Metalocalypse (2006-2013), os demais integrantes da banda submergem o guitarrista Toki em uma "câmara de isolamento de oxigênio líquido" enquanto gravam um álbum na Fossa das Marianas .
  • Em um episódio do programa Syfy Channel Eureka (2006-2012), o xerife Jack Carter é submerso em um tanque de " plasma rico em oxigênio " para ser curado dos efeitos de um acidente científico.
  • Na série de anime Aldnoah.Zero (2014-2015), o episódio 5 mostra que Slaine Troyard estava em uma cápsula cheia de líquido quando caiu. A Princesa Asseylum testemunhou o acidente, ajudou-o a sair da cápsula e então aplicou RCP nele para tirar o líquido de seus pulmões.

Jogos de vídeo

Veja também

Referências

links externos