MEDYCZNE ZASTOSOWANIE KRIOTECHNIKI DO PRZECHOWYWANIA PREPARATÓW BIOLOGICZNYCH, W URZĄDZENIACH DIAGNOSTYCZNYCH I KRIOCHIRURGII

Transkrypt

1 POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY MEDYCZNE ZASTOSOWANIE KRIOTECHNIKI DO PRZECHOWYWANIA PREPARATÓW BIOLOGICZNYCH, W URZĄDZENIACH DIAGNOSTYCZNYCH I KRIOCHIRURGII Agnieszka Rećko Inżynieria mechaniczno-medyczna, studia II stopnia Prowadzący: dr inż. Waldemar Targański

2 1. Wstęp Kriotechnika to dziedzina nauki zajmująca się uzyskiwaniem, utrzymywaniem i wykorzystaniem bardzo niskich temperatur. Ma ona zastosowanie w przemyśle, nauce i technice, ale w pracy tej zostanie opisane przede wszystkim jej wykorzystanie w medycynie. Czynniki kriogeniczne pełnią w medycynie różnorodne role. Ich własności wykorzystuje się w diagnostyce (np. rezonans magnetyczny chłodzenie magnesu nadprzewodzącego ciekłym helem), leczeniu (np. kriochirurgia), rehabilitacji (np. krioterapia), umożliwiają również przechowywanie oraz transport materiałów biologicznych, dzięki możliwości utrzymywania czynników kriogenicznych w fazie cieczowej. 2. Gazy w kriotechnice Do rozwoju kriotechniki najbardziej przyczyniła się możliwość skroplenia gazów uznawanych wcześniej za gazy trudno- bądź nieskraplające się. Do gazów tych należą między innymi: azot, tlen, hel, neon, ksenon, argon, metan czy wodór (tab.1). Czynnik Symbol T N T K p K ƍ c ƍ p R [K] [K] [MPa] [kg/m 3 ] [kg/m 3 ] [kj/kg] Hel He 4,2 5,2 0, ,9 16,9 20,3 Wodór H 2 20,3 33,0 1,29 70,8 1,34 446,0 Neon Ne 27,1 44,5 2, ,58 85,8 Azot N 2 77,3 126,2 3, ,62 199,0 Argon Ar 87,3 150,9 4, ,77 163,0 Tlen O 2 90,2 154,6 5, ,47 213,0 Metan CH 4 111,6 190,5 4, ,82 510,0 Podtlenek azotu N 2 O 183,6 309,7 7, ,0 Dwutlenek węgla CO 2 194,6 304,2 7, ,98 573,0 Tab. 1. Własności czynników kriogenicznych: T N normalna temperatura wrzenia, T K temperatura krytyczna, p K ciśnienie krytyczne, ƍ c gęstość cieczy w T N, ƍ p gęstość par w T N, R ciepło parowania 1

3 Określone przez lekarzy parametry zabiegów kriomedycznych (np. temperatura końcowa tkanki, czas zabiegu) wskazują na przydatność do zastosowań w urządzeniach kriomedycznych czynników roboczych o temperaturze wrzenia niższej od 200 K (-73 C). Kryterium to spełniają wszystkie wymienione wcześniej gazy. Niestosowanie większości z nich w medycynie jest jednak bardzo dobrze argumentowane. Hel, neon i ksenon są niestety czynnikami drogimi, a to niekorzystnie wpływa na ekonomiczność eksploatacji. Z kolei wodór oraz metan tworzą z powietrzem mieszaniny wybuchowe. Ciekły tlen natomiast ma wysoką aktywność chemiczną. Dodatkowe wymagania jakie stawia się cieczom kriogenicznym wykorzystywanym w medycynie to niska temperatura wrzenia, duża wartość ciepła parowania i ciepła właściwego, natomiast absolutnie nie mogą być to ciecze aktywne chemicznie, trujące, wybuchowe. Ważną cechą jest również ich duża dostępność i niewielka cena. Jedynie azot, podtlenek azotu oraz dwutlenek węgla spełniają te wszystkie warunki, dzięki czemu są gazami najczęściej wykorzystywanymi w krioterapii oraz kriochirurgii. 3. Zastosowanie kriotechniki w przechowywaniu preparatów biologicznych Preparaty biologiczne często podlegają transplantacji. Bardzo ważne jest, aby transportować je w taki sposób, by nie straciły swoich właściwości, nie doszło do uch niedotlenienia i zahamowania produkcji ATP, a także nie powinny one ulec procesom biochemicznym. Preparaty biologiczne takie jak krew, tkanka lub cały narząd są najczęściej transportowane i czasowo przechowywane z wykorzystaniem ciekłego azotu lub suchego lodu jako środków chłodzących. Ciekły azot N 2 zapewnia bardzo niską temperaturę (ok C), a przy tym jest czynnikiem neutralnym oraz chemicznie obojętnym. Z kolei suchy lód, czyli zestalony dwutlenek węgla zapewnia nieprzerwane przez określony czas utrzymywanie temperatury w przedziale od +10 C do -25 C, a poza zdolnościami chłodniczymi posiada również właściwości bakteriostatyczne. Granulat suchego lodu jest transportowany i dostarczany w specjalnych kontenerach (rys.1). Dzięki swoistej izolacji pojemników suchy lód można w nich przechowywać przez wiele dni bez żadnych strat i zmian jego właściwości. Dwutlenek węgla wyróżnia się stosunkowo niską temperaturą wrzenia oraz bakteriostatycznością. Z kolei czysty azot wrze w temperaturze -195,8 C w zależności od czystości i aktualnego ciśnienia atmosferycznego, a ulega zestaleniu przy -210,0 C. Na rynku wielu producentów oferuje pojemniki do 2

4 przechowywania preparatów biologicznych. Temperatura przechowywania może sięgać nawet 190 C. Przechowywanie w czasie transportu umożliwia na przykład pobranie organu od dawcy, który przebywa w miejscu położonym o setki kilometrów od szpitala, w którym wykonuje się przeszczep i bezpieczne dostarczenie go biorcy. Wszystkie cechy czynników stosowanych w kriotechnice bardzo mocno wpłynęły na rozwój transplantologii. Rys.1. Przykładowy kontener do przechowywania suchego lodu Rys.2. Przykładowe pojemniki do przechowywania ciekłego azotu Przechowywanie i transportowanie narządów jest ściśle opisane w normach i rozporządzeniach. Aby narząd nadawał się do przeszczepienia niezbędne jest dokładne 3

5 przestrzeganie wszystkich tych norm. Przechowywanie danego narządu rozpoczyna się od odpowiedniego schłodzenia narządu, a kończy się utrzymaniem stałej temperatury w odpowiednim pojemniku lub komorze chłodniczej. Obniżenie temperatury tkanek powoduje zmniejszenie ich potrzeb energetycznych. Zostało udowodnione, że w temperaturze 5 C zapotrzebowanie na tlen stanowi nie więcej niż 5% zapotrzebowania, jakie ma tkanka w temperaturze 37 C. Natomiast ważne jest to, że metabolizm komórkowy w niskiej temperaturze nie zostaje całkowicie zatrzymany, mimo niedokrwienia narządu. Spowolniona zostaje szybkość reakcji chemicznych i opóźniona śmierć komórki. Następstwa niedokrwienia łagodzone są poprzez działanie wielu różnych molekuł wchodzących w skład płynów stosowanych do schłodzenia narządów. Obniżenie temperatury poniżej -5 C negatywnie wpływa na narządy ludzkie, dlatego pojemniki do ich przechowywania powinny utrzymywać temperaturę na poziomie 0-4 C lub 2-6 C w przypadku krwi pełnej konserwowanej i koncentratów krwinek czerwonych. Wyróżnia się dwie metody chłodzenia narządów w zależności od ich rodzaju: metoda termostabilna jest to metoda polegająca na zanurzeniu narządu w płynie o temperaturze pomiędzy 0 a 4 C. Metoda termostabilna jest najbardziej powszechną metodą, ze względu na fakt, że jest prosta, mało kosztowna i skuteczna w przypadku takich narządów jak wątroba czy trzustka oraz części ciała takich jak: palce, język czy uszy. Pobrany narząd zanurzony jest w płynie perfuzyjnym o funkcjach konserwujących, a następnie jest w sposób sterylny i hermetyczny umieszczany w naczyniu. Naczynie zabezpieczone podwójnym opakowaniem sterylnych worków plastikowych jest z kolei umieszczane w izotermicznym kontenerze lub pojemniku. Najczęściej stosowanym rozwiązaniem na wypełnianie pojemników lub worków jest wykorzystanie suchego lodu. Stosowane są także droższe, zapewniające większe bezpieczeństwo pojemniki wyposażone w układy sprężarkowe lub termoelektryczne. Długość okresu przechowywania i transportu narządów w przypadku tej metody nie może przekroczyć 48 godzin. metoda ciągłej perfuzji hipotermicznej - łączny okres przechowywania i transportu narządu jest równy 72 godziny. W przypadku tej metody narząd umieszczany jest 4

6 w sterylnym naczyniu, gdzie jest stale perfundowany pulsacyjnie roztworem chłodzącym wzbogaconym w tlen. Jest tutaj możliwość stałej kontroli temperatury, ciśnienia perfuzyjnego oraz parametrów biochemicznych przy użyciu układów elektronicznych czujników połączonych z komputerem przetwarzającym te informacje. W zależności od tego jaki narząd jest transportowany, wyróżnia się trzy podstawowe rodzaje pojemników izotermicznych: pojemniki izotermiczno-elektroniczne są to pojemniki przeznaczone głównie do transportu nerek i serc, czyli narządów, które w trakcie transportu wymagają stałej kontroli parametrów, dokonywanej przez zespół czujników i analizowanych przez komputer. Urządzenia tego typu są urządzeniami najdroższymi na rynku i ich używanie do transportu innych organów jest nieopłacalne ekonomicznie. Pojemniki tego typu posiadają układ regulacji temperatury z dokładnością nawet do 0,01 C oraz możliwość zmiany takich parametrów jak ciśnienie perfuzyjne, gęstość płynu konserwującego czy inne parametry biochemiczne (rys 3.); Rys.3. Przykłady pojemników izotermiczno-elektronicznych pojemniki izotermiczne do transportu narządów typu A są to pojemniki do transportu narządów takich jak wątroba i trzustka (rys.4). Urządzenia tego typu nie posiadają zwykle układu regulacji temperatury, a jedynie zapewniają temperaturę na wybranym poziomie - przeważnie w przedziale 0-4 C. Jako sposób chłodzenia dla utrzymania niskiej temperatury w przestrzeni 5

7 ładunkowej, w pojemnikach tego typu wykorzystuje się zazwyczaj suchy lód oraz rzadziej urządzenie sprężarkowe; Rys.4. Przykład pojemnika izotermicznego typu A pojemniki izotermiczne do transportu narządów typu B są to pojemniki przeznaczone do transportu narządów, które wymagają przyszycia lub przeszczepienia powrotnego (rys.5). Do tego typu narządów należą amputowane w trakcie wypadków palce, języki czy też małżowiny uszne. Warunki temperaturowe wymagane przez narządy tego typu sprawiają, iż urządzenia takie działają przeważnie w zakresach od -10 do 5 C. Są to urządzenia uniwersalne posiadające możliwość regulacji temperatury przeważnie z dokładnością do 1 C, w zależności od rodzaju i wymagań narządu umieszczonego w środku. Rys.5. Przykład pojemnika izotermicznego typu B 6

8 4. Zastosowanie kriotechniki w urządzeniach diagnostycznych Kriotechnika znalazła zastosowanie również w diagnostyce, czyli rozpoznawaniu chorób na podstawie wywiadu lekarskiego, analizy objawów i, przede wszystkim, wyniku badań dodatkowych. Jedną z najnowszych metod, w których zastosowano technikę niskich temperatur, jest metoda wykorzystująca rezonans magnetyczny. Zjawisko rezonansu magnetycznego polega na wykrywaniu protonów (jąder wodoru) w badanym narządzie. Silne pole elektromagnetyczne, wytwarzane przez magnes nadprzewodzący pobudza protony do wysyłania promieniowania elektromagnetycznego. Aby magnes stał się nadprzewodnikiem musi zostać schłodzony do temperatury około -270 C, a takie chłodzenie może zapewnić ciekły hel. W niskich temperaturach spada opór elektryczny, co umożliwia uzyskanie przez magnesy nadprzewodzące pola magnetyczne o dużym natężeniu. Ponadto, stosunek sygnału użytecznego do szumów decyduje o jakości obrazowania i jest zależny liniowo od natężenia pola magnetycznego. Dlatego, im większe natężenie pola tym dokładniej można zmierzyć sygnał NMR, a tym samym tym lepszej jakości obraz można uzyskać. Jednym z najczęściej stosowanych w MRI (magnetic resonance imaging) nadprzewodników jest spiek niobu i tytanu. Badanie przeprowadza się w celu rozpoznania i oceny zmian rakowych, a także u osób z chorobą Alzheimera. Podstawowymi elementami budowy tomografu NMR są (rys.6): nadprzewodzący elektromagnes wytwarzający pole magnetyczne, nadajnik i odbiornik fal o częstotliwościach radiowych i elektromagnesy gradientowe, ułożone wzdłuż trzech prostopadłych do siebie kierunków. Pacjenta umieszcza się na stole aparatu i wsuwa do komory urządzenia w stałe pole magnetyczne o wysokiej energii. Rys.6. Tomograf rezonansu magnetycznego. 7

9 5. Zastosowanie kriotechniki w kriochirurgii Kriochirurgia polega na miejscowym, kontrolowanym niszczeniu zainfekowanych komórek poprzez działanie na nie temperaturami kriogenicznymi. Istotą działania kriochirurgii na tkankę jest przejście wody komórkowej i pozakomórkowej ze stanu ciekłego w stan stały. Aby zamrozić żywą tkankę temperatura tkanek musi być obniżona do -20 C. Skuteczność destrukcji zależy od szybkości zamrożenia i rozmrażania tkanki. Po zamrożeniu i rozmrożeniu cytoplazmy komórki zahamowany jest jej metabolizm. W konsekwencji dochodzi do oddzielenia tkanki wymrożonej, głównie zmienionej chorobowo, od tkanki zdrowej. Podstawowym celem kriochirurgii jest zamrożenie takiej objętości tkanki, jaka musiałaby być wycięta podczas tradycyjnego wycięcia chirurgicznego. Wyróżnia się trzy metody zamrażania tkanek: metoda wykorzystująca bezpośrednie odparowanie czynnika polega ona na zamrażaniu przy użyciu wacików nawiniętych na drewniane pałeczki, zanurzanych w ciekłym azocie. Dzięki swej porowatości wacik staje się "zbiorniczkiem" czynnika. Zetknięcie go ze skórą powoduje gwałtowne odparowanie azotu pod wpływem ciepła odbieranego od tkanki. Jest często stosowanym zabiegiem, głównie w zmianach łagodnych i płytkich. Metoda ta jest prosta i tania. Nie pozwala jednak na wywołanie głębokiego mrożenia ze względu na brak możliwości utrzymania szybkiego spadku temperatury przez dłuższy okres. Istnieje ryzyko spływania ciekłego azotu na skórę, co prowadzi do uszkodzenia zdrowych tkanek i powstania mało estetycznych blizn. metoda natryskowa urządzenia kriochirurgiczne wyposażone są w odpowiednie końcówki do zamrażania natryskiem. Natrysku dokonuje się zwykle z odległości około 1 cm od powierzchni skóry. Metoda stosowana jest do zmian chorobowych o średnicy do 2cm. W przypadku większych ognisk, należy je podzielić na części, o średnicy nie większej od maksymalnie dopuszczalnej. Zabieg metodą natryskową polega na aplikowaniu ciekłego czynnika bezpośrednio na chorobowo zmienioną powierzchnię tkanki. Rozpylona ciecz kriogeniczna odparowuje, powodując zamrożenie komórek. Do jej zastosowania niezbędne jest wytworzenie odpowiedniego ciśnienia w zbiorniku, z którego podawany jest czynnikiem chłodzący - w tym przypadku jest to ciekły azot lub podtlenek azotu. 8

10 metoda kontaktowa zastosowanie krioaplikantów zamkniętych pozwala na leczenie zmian punktowych do średnicy kilku centymetrów. Zabieg metodą kontaktową wymaga zastosowania zamkniętego aplikatora. Polega on na mrożeniu zmian skórnych za pomocą krioaplikatorów, schładzanych przepływającym w ich wnętrzu ciągłym strumieniem gazu. Jako czynnik chłodzący stosuje się podtlenek azotu lub dwutlenek węgla. Do tkanki przylega powierzchnia mrożąca przekazująca ciepło od tkanki do kriogenu. Zastosowanie aplikatora zamkniętego uniemożliwia bezpośredni kontakt kriocieczy z powierzchnią skóry. Metoda ta przewyższa metodę natryskową ze względu na lepszą możliwość oceny strefy mrożenia i jego zakres. Również precyzyjność zabiegu jest znacznie większa, dlatego zalecany jest on do zamian guzowatych, naciekających i głębokich. Wprawdzie zabieg trwa dłużej jednak charakteryzuje się większą efektywnością. Kriochirurgia odznacza się szeregiem zalet dzięki czemu stała się alternatywą dla innych metod operacyjnych. Zalety kriochirurgii: kriochirurgia umożliwia pełne zniszczenie uprzednio wyznaczonej objętości tkanki, zarówno na powierzchni ciała jak i wewnątrz dowolnego organu, używając krioaplikatora o małej średnicy możliwy jest bezpieczny dostęp do miejsca zabiegu znajdującego się wewnątrz tkanki, oddziaływanie kriochirurgiczne w większości przypadków jest bezbolesne i nie wymaga wstępnego znieczulenia (pacjent czuje jedynie lekkie pieczenie), ognisko martwicy powstałej po zamrażaniu wywołuje minimalną reakcję wokółogniskową, zamrażanie "blokuje" drobne naczynia tętnicze i żylne, co umożliwia przeprowadzanie zabiegu praktycznie bez krwawień nawet w bogato unaczynionych organach, wysoka odporność ścianek dużych naczyń na niską temperaturę, uwarunkowująca powrót normalnego przepływu krwi nawet po ich pełnym zamrożeniu, umożliwia przeprowadzenie kriodestrukcji tkanek w bezpośrednim sąsiedztwie tych naczyń, 9

11 ogniska kriodestrukcji szybko się goją, w ich miejscu powstają delikatne elastyczne blizny, osiągany jest dobry efekt kosmetyczny, możliwe jest zamrażanie wznów po radioterapii, chirurgii i krioterapii, ze względu na mało obciążający charakter zabiegu, większość przypadków może być wykonana ambulatoryjnie, co nie jest bez znaczenia dla osób starszych. 6. Podsumowanie Stosowanie kriotechniki w medycynie jest coraz bardziej popularne, ze względu na dużą skuteczność zabiegów, a jednocześnie małą możliwość powikłań. Efekty zabiegów kriochirurgicznych są bardzo zadowalające, często znacznie lepsze od standardowych zabiegów chirurgicznych, dzięki czemu kriochirurgia w wielu dziedzinach medycyny i schorzeniach wypiera standardowe metody leczenia. Metody niskotemperaturowe znalazły w medycynie zastosowanie nie tylko do zabiegów, ale również w celach diagnostycznych oraz jako doskonały środek do transportu tkanek i narządów, co dało bardzo dużo korzyści w obu tych dziedzinach, dając szanse na wyleczenie i przedłużenie życia wielu pacjentom. 10

12 Literatura: Artykuły: 1. Chorowski M., Technologie kriogeniczne Kriogenika w medycynie 2. Zastosowanie temperatur kriogenicznych w medycynie i fizjoterapii sportowej, internet 3. Krioterapia i kriochirurgia zalety, internet 4. Waszkiewicz M., Przechowywanie i transport narządów ludzkich przeznaczonych do przeszczepu, Politechnika Gdańska, wydział mechaniczny Skrypty: 1. Chorowski M., Piotrowska A., Laboratorium z podstaw kriogeniki: Kriomedycyna, Politechnika Wrocławska Strony internetowe: