Respiración de líquido rico en oxígeno por un organismo que normalmente respira aire.
La respiración líquida es una forma de respiración en la que un organismo que normalmente respira aire respira un líquido rico en oxígeno que es capaz de intercambiar gases CO 2 (como un perfluorocarbono ). [1]
El líquido en cuestión requiere ciertas propiedades físicas, como solubilidad en gases respiratorios, densidad, viscosidad, presión de vapor y solubilidad en lípidos, que poseen algunos perfluoroquímicos (PFC). [2] Por lo tanto, es fundamental elegir el PFC adecuado para una aplicación biomédica específica, como la ventilación con líquidos, la administración de fármacos o los sustitutos de la sangre. Las propiedades físicas de los líquidos de PFC varían sustancialmente; sin embargo, la propiedad común es su alta solubilidad en gases respiratorios. De hecho, estos líquidos transportan más oxígeno y dióxido de carbono que la sangre. [3]
Modelos de computadora de tres moléculas perfluoroquímicas utilizadas para aplicaciones biomédicas y para estudios de ventilación de líquidos: a) FC-75 , b) perflubron y c) perfluorodecalina .
Como la respiración líquida todavía es una técnica muy experimental, existen varios enfoques propuestos.
Ventilación total de líquido
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 con gas: el sistema debe incorporar un oxigenador de membrana , un calentador y bombas para suministrar y retirar de los pulmones alícuotas de volumen corriente de perfluorocarbono (PFC) acondicionado. Un grupo de investigación dirigido por Thomas H. Shaffer ha mantenido 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 la 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 hacia aplicaciones clínicas. [13]
El ventilador líquido preclínico específico (Inolivent) actualmente está 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 este método es más protector que el de enfriamiento más lento después de un paro cardíaco experimental. [15]
Dosificar adecuadamente a un paciente a un volumen pulmonar específico (10–15 ml/kg) para reclutar volumen alveolar
Redosificar el pulmón con líquido PFC (1–2 ml/kg/h) para oponerse a la evaporación de PFC del pulmón.
Si el líquido PFC no se mantiene en el pulmón, el PLV no puede proteger eficazmente al pulmón de las fuerzas biofísicas asociadas con el ventilador de gas.
Se han desarrollado nuevos modos de aplicación para PFC. [17]
La ventilación parcial líquida (PLV) consiste en llenar los pulmones con un líquido. Este líquido es un perfluorocarbono como el perflubron (nombre comercial Liquivent). El líquido tiene algunas propiedades únicas. Tiene una tensión superficial muy baja, similar a las sustancias surfactantes producidas en los pulmones para evitar que los alvéolos colapsen y se adhieran entre sí durante la exhalación. También tiene una alta densidad, el oxígeno se difunde fácilmente a través de él y puede tener algunas propiedades antiinflamatorias. En la PLV, los pulmones se llenan con el líquido y luego se ventila al paciente con un respirador convencional utilizando una estrategia de ventilación pulmonar protectora. 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 la PLV implica una comparación con la estrategia de ventilación protocolizada diseñada para minimizar el daño pulmonar. [18] [19]
Predominantemente los PFC con alta presión de vapor son adecuados para la vaporización.
PFC en aerosol
Con perfluorooctano aerosolizado , se demostró una mejora significativa de la oxigenación y la mecánica pulmonar en ovejas adultas con lesión pulmonar inducida por ácido oleico.
En lechones con depleción de surfactante , se demostró una mejora persistente del intercambio de gases y de la mecánica pulmonar 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 utilizando un dispositivo de aerosol diferente en conejos con depleción de surfactante. La ventilación líquida parcial y Aerosol-PFC redujeron la respuesta inflamatoria pulmonar . [22]
Con el fin de explorar técnicas de administración de fármacos que serían útiles tanto para la ventilación líquida parcial como total, estudios más recientes se han centrado en la administración de fármacos con PFC utilizando una suspensión de nanocristales. La primera imagen es un modelo informático de un líquido de PFC (perflubrón) 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. Nótese que los niveles plasmáticos de la dosis IV superan en gran medida los niveles de la dosis IT durante el período de estudio de 4 horas; mientras que, los niveles de tejido pulmonar de gentamicina 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 IT permite una administración más efectiva del fármaco al órgano objetivo mientras se mantiene un nivel más seguro sistémicamente. Ambas imágenes representan el curso temporal in vivo durante 4 horas. Numerosos estudios han demostrado ahora la eficacia de los líquidos de PFC como vehículo de administración a los pulmones. [35] [36] [37 ] [38] [34] [39] [33] [40] [30] [41]
Comparación de la administración IT e IV de gentamicina.
Se han realizado ensayos clínicos con bebés prematuros y adultos. [42] Dado que la seguridad del procedimiento y la eficacia fueron evidentes desde una etapa temprana, la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA) le dio al producto el estatus de "vía rápida" (es decir, una revisión acelerada del producto, diseñada para que esté disponible al público lo más rápido posible de manera segura) debido a su potencial para salvar vidas. Los ensayos clínicos demostraron que el uso de perflubrón con respiradores comunes mejoró los resultados tanto como el uso de ventilación oscilante de alta frecuencia (HFOV). Pero como el perflubrón no fue mejor que la HFOV, la FDA no lo aprobó y Alliance ya no está buscando la aplicación de ventilación líquida parcial. Si el perflubrón mejoraría los resultados cuando se usa con HFOV o si tiene menos consecuencias a largo plazo que la HFOV sigue siendo una pregunta abierta.
En 1996, Mike Darwin y Steven B. Harris propusieron utilizar ventilación líquida fría con perfluorocarbono para reducir rápidamente la temperatura corporal de las víctimas de paro cardíaco y otros traumatismos cerebrales para permitir que el cerebro se recupere mejor. [43]
La tecnología pasó a llamarse ventilación gas/líquido (GLV), y se demostró que era capaz de alcanzar una tasa de enfriamiento de 0,5 ° C por minuto en animales grandes. [44] Todavía no se ha probado en humanos.
Más recientemente, la protección cerebral hipotérmica se ha asociado con un enfriamiento rápido del cerebro. En este sentido, un nuevo enfoque terapéutico es el uso de un aerosol perfluoroquímico intranasal para el enfriamiento preferencial del cerebro. [45] El enfoque nasofaríngeo (NP) es único para el enfriamiento del cerebro debido a la proximidad anatómica a la circulación cerebral y las arterias. 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 en comparación con el enfriamiento corporal completo convencional con mantas de enfriamiento. Hasta la fecha, se han realizado cuatro estudios en humanos, incluido un estudio intraparo aleatorizado completo (200 pacientes). [46] [47] Los resultados demostraron claramente que el enfriamiento transnasal intraparo prehospitalario es seguro, factible y está asociado con una mejora en el tiempo de enfriamiento.
Las mezclas especiales de gases respirables, como el trimix o el heliox, reducen el riesgo de narcosis por nitrógeno , pero no lo eliminan. El heliox elimina aún más el riesgo de narcosis por nitrógeno, pero introduce el riesgo de temblores de helio por debajo de los 150 m (500 pies). Los trajes de buceo atmosféricos mantienen la presión corporal y respiratoria a 1 bar, lo que elimina la mayoría de los peligros de descender, ascender y respirar a gran profundidad. Sin embargo, los trajes rígidos son voluminosos, incómodos y muy caros.
La respiración líquida ofrece una tercera opción, [4] [49] 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 a gas de presión parcial requeridas 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 debido a la alta viscosidad del líquido y la correspondiente reducción de su capacidad para eliminar el CO2 . [ 4] [50] Todos los usos de la respiración líquida para el buceo deben implicar una ventilación líquida total (véase más arriba). Sin embargo, la ventilación líquida total tiene dificultades para mover suficiente líquido para eliminar el CO2 , porque no importa cuán grande sea la presión total, la cantidad de presión parcial del gas CO2 disponible para disolver el CO2 en el líquido respirable nunca puede ser mucho mayor que la presión a la que existe el CO2 en la sangre (alrededor de 40 mm de mercurio ( Torr )). [50]
A estas presiones, la mayoría de los líquidos fluorocarbonados requieren volúmenes de ventilación minuto de aproximadamente 70 mL/kg de líquido (aproximadamente 5 L/min para un adulto de 70 kg) para eliminar suficiente CO2 para un metabolismo en reposo normal. [51] Se trata de una gran cantidad de líquido para mover, en particular porque los líquidos son más viscosos y densos que los gases (por ejemplo, el agua tiene una densidad de aproximadamente 850 veces la del aire [52] ). Cualquier aumento en la actividad metabólica del buceador también aumenta la producción de CO2 y la frecuencia respiratoria, que ya está en los límites de las velocidades de flujo realistas en la respiración líquida. [4] [53] [54] Parece poco probable que una persona mueva 10 litros/min de líquido fluorocarbonado sin la ayuda de un respirador mecánico, por lo que la "respiración libre" puede ser poco probable. Sin embargo, se ha sugerido que un sistema de respiración líquida podría combinarse con un depurador de CO2 conectado al suministro de sangre del buceador; se ha presentado una patente estadounidense para dicho método. [55] [56]
Viajes espaciales
La inmersión en líquidos proporciona una forma de reducir el estrés físico de las fuerzas G. Las fuerzas aplicadas a los fluidos se distribuyen como presiones omnidireccionales. Como los líquidos no se pueden comprimir prácticamente, no cambian de densidad bajo una gran aceleración, como la que se realiza en maniobras aéreas o viajes espaciales. Una persona sumergida en un líquido de la misma densidad que el tejido tiene fuerzas de aceleración distribuidas por todo el 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 traje G Libelle, que permite a los pilotos de aviones permanecer conscientes y funcionando a más de 10 g de aceleración rodeándolos con agua en un traje rígido. [57]
La protección contra la aceleración por inmersión en líquido está limitada por la densidad diferencial de los tejidos corporales y el fluido de inmersión, lo que limita la utilidad de este método a aproximadamente 15 g a 20 g . [58]
Ampliar la protección contra la aceleración más allá de los 20 g requiere llenar los pulmones con un fluido de densidad similar a la del agua. Un astronauta totalmente inmerso en un líquido, con líquido dentro de todas las cavidades corporales, sentirá poco efecto de las fuerzas G extremas porque las fuerzas sobre un líquido se distribuyen de manera uniforme y en todas las direcciones simultáneamente. Los efectos se seguirán sintiendo debido a las diferencias de densidad entre los diferentes tejidos corporales, por lo que todavía existe un límite superior de aceleración. Sin embargo, es probable que pueda ser superior a cientos de G. [59]
La respiración líquida para la protección contra la aceleración puede no ser nunca práctica debido a la dificultad de encontrar un medio respirable adecuado con una densidad similar a la del agua que sea compatible con el tejido pulmonar. Los fluidos perfluorocarbonados son dos veces más densos que el agua, por lo que no son adecuados para esta aplicación. [3]
Ejemplos en la ficción
Obras literarias
La novela de ciencia ficción de 1928 de Alexander Beliaev, El hombre anfibio , se basa en un científico y cirujano inconformista que le hace a su hijo, Ichthyander (etimología: "pez" + "hombre") un trasplante que le salvará la vida: un par de branquias de tiburón. Hay una película basada en la novela.
El cuento de L. Sprague de Camp de 1938, " El tritón ", se basa en 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 una pequeña civilización submarina que vive en una "burbuja" de líquido oxigenado más denso que el agua de mar.
La novela de Joe Haldeman de 1975, The Forever War, describe la inmersión en líquidos 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.
La novela de Peter Benchley de 1994, Tiburón blanco, se centra en los intentos experimentales de un científico nazi de crear un humano anfibio , cuyos pulmones están modificados quirúrgicamente para respirar bajo el agua y entrenados para hacerlo de forma refleja después de ser inundados con una solución de fluorocarbono.
La novela de Star Trek de 1994, Federación, de Judith y Garfield Reeves-Stevens explica que antes de la invención del amortiguador inercial , las tensiones de la aceleración de alta G requerían que los pilotos de las naves espaciales estuvieran sumergidos en cápsulas llenas de líquido y respiraran una solución salina rica en oxígeno para evitar que sus pulmones se aplastaran.
La novela Slow River (1995) de Nicola Griffith presenta una escena de sexo que ocurre dentro de una piscina de perfluorocarbono de color rosa plateado de veinte pies cúbicos, con una 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 entorno 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 . [60]
La novela Mechanicum (2008) de Graham McNeill , libro 9 de la serie de libros La Herejía de Horus , describe a pilotos de titanes (gigantescas máquinas de guerra) físicamente lisiados y encerrados en tanques de fluidos nutritivos. Esto les permite seguir operando más allá de los límites que normalmente impone el cuerpo. [61]
En la novela de Liu Cixin El bosque oscuro (2008), los buques de guerra de la humanidad en el siglo XXIII inundan sus compartimentos con un líquido rico en oxígeno llamado "fluido de aceleración de aguas profundas" para proteger a la tripulación contra las fuerzas de aceleración extrema que sufren los barcos. Los barcos entran en un "estado de aguas profundas" donde la tripulación se sumerge en el fluido y se seda antes de que pueda comenzar la aceleración. [62]
En la novela de 2009 El símbolo perdido de Dan Brown , Robert Langdon (el protagonista) se sumerge por completo en un líquido respirable mezclado con sustancias químicas alucinógenas y sedantes como técnica de tortura e interrogatorio por parte de 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 , dos personajes son colocados en tanques llenos de líquido: "No se les dio ningún aparato de respiración, pero el agua del tanque era rica en perfluorocarbono, que transportaba más oxígeno que la sangre". [63]
En la novela de ciencia ficción The Wandering Star (2016) del autor AL Mengel, varios personajes respiran un líquido oxigenado durante una inmersión para explorar una ciudad submarina. Se sumergen en "burbujas" de alta presión llenas de líquido perfluorocarbonado .
En La ira de Tiamat , 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 soportar fuerzas g significativamente mayores. Como los motores de fusión potentes y de bajo consumo de combustible de la serie han hecho que la única limitación práctica de la aceleración de una nave sea la capacidad de supervivencia de la tripulación, esto hace que la nave sea la más rápida en todo el espacio colonizado por humanos.
Películas y televisión
Los extraterrestres de la serie OVNI de Gerry Anderson (1970-1971) utilizan trajes espaciales que respiran líquido.
En la película The Abyss (1989), dirigida por James Cameron, aparece un personaje que utiliza la respiración líquida para sumergirse miles de metros sin comprimirse. The Abyss también incluye una escena en la que una rata se sumerge y respira líquido fluorocarbonado, filmada en la vida real. [64]
En el anime de 1995 Neon Genesis Evangelion , las cabinas de los mechas titulares están llenas de un líquido oxigenado ficticio llamado LCL que es necesario 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 acerca su densidad, opacidad y viscosidad a las del aire. El protagonista Shinji Ikari nota que el LCL huele a sangre. Finalmente, se revela que el LCL es la sangre de la progenitora de los Evangelion, Lilith .
En la película Misión a Marte (2000), se representa a un personaje inmerso en un fluido aparentemente respirable antes de un lanzamiento a alta aceleración.
En el episodio 13 de la temporada 1 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 entero sellado que lleva puesto. Esta combinación de traje y líquido le permite abordar un submarino ruso en mar abierto a una profundidad de casi 1000 pies. Al abordar el submarino, se quita el casco, expulsa el líquido de sus pulmones y puede respirar aire nuevamente.
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 de la serie 11 de Dalziel y Pascoe (1996-2007) titulado Demons on Our Shoulders, el mago Lee Knight, interpretado por Richard E Grant , realiza un truco bajo el agua usando un líquido respirable.
En un episodio del programa Eureka (2006-2012) del canal Syfy , 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 se encontraba en una cápsula llena de líquido cuando se estrelló. La princesa Asseylum presenció el accidente, lo ayudó a salir de la cápsula y luego le practicó RCP para extraer el líquido de sus pulmones.
En el anime de 2024 Bang Brave Bang Bravern , el mecha titular Bravern llena su cabina con líquido durante el combate submarino, diciéndole al piloto Ao Isami que le suministrará oxígeno directamente y al mismo tiempo contrarrestará la presión. Bravern compara esto directamente con la escena de The Abyss , lo que llevó a Ao a preguntar cómo Bravern sabe sobre la película.
En el universo de EVE Online (2003), los pilotos en cápsulas ( cápsulas de escape que funcionan como centro de control de la nave espacial) respiran una solución de suspensión a base de glucosa, rica en oxígeno, nanosaturada y respirable. [65]
En el juego Helldivers 2 (2024), después de una actualización, los pilotos de jet usan perfluorocarbonos respirables en la cabina para absorber las fuerzas G y permitir maniobras más peligrosas.
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