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 (como un perfluorocarbono ), en lugar de respirar aire , seleccionando un líquido que pueda contener una gran cantidad de oxígeno y sea capaz de emitir CO. 2 intercambio de gases. [1]
Esto requiere ciertas propiedades físicas, como la solubilidad de los gases respiratorios, la densidad, la viscosidad, la presión de vapor y la solubilidad en lípidos que tienen algunos perfluoroquímicos (PFC). [2] Por lo tanto, es fundamental elegir el PFC adecuado para una aplicación biomédica específica, como ventilación de líquidos, administración de medicamentos o sustitutos de la sangre. Las propiedades físicas de los líquidos de PFC varían sustancialmente; sin embargo, la única propiedad común es su alta solubilidad en 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. [ ¿cómo? ] La respiración líquida también se ha propuesto 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
Modelos informáticos de tres moléculas perfluoroquímicas utilizadas para aplicaciones biomédicas y para estudios de ventilación líquida: a) FC-75 , b) perflubron y c) perfluorodecalina .
Debido a que la respiración líquida sigue siendo una técnica altamente experimental, se han propuesto varios enfoques.
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 con gas: el sistema debe incorporar un oxigenador de membrana , un calentador y bombas para administrar y retirar de los pulmones alícuotas de volumen tidal de perfluorocarbono acondicionado (PFC). Un grupo de investigación dirigido por Thomas H. Shaffer ha sostenido que con el uso de microprocesadores y nuevas tecnologías, es posible mantener un mejor control de variables respiratorias como la capacidad residual funcional del líquido y el volumen tidal durante 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 seguir desarrollando un ventilador líquido para aplicaciones clínicas. [13]
Actualmente se está desarrollando conjuntamente un ventilador líquido preclínico específico (Inolivent) 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 protege más que el método 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
Vuelva a dosificar el pulmón con líquido de PFC (1 a 2 ml/kg/h) para oponerse a la evaporación de PFC del pulmón.
Si el PFC líquido no se mantiene en el pulmón, el 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 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 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 líquido y luego se ventila al paciente con un ventilador convencional utilizando una estrategia de ventilación pulmonar protectora. La esperanza es que el líquido ayude al transporte de oxígeno a 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 una comparación con la estrategia de ventilación protocolizada diseñada para minimizar el daño pulmonar. [18] [19]
Para la vaporización son predominantemente PFC con alta presión de vapor .
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 lechones con deficiencia de surfactante , se demostró una mejora persistente del intercambio de gases y 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 sin surfactante. La ventilación líquida parcial y el Aerosol-PFC redujeron la respuesta inflamatoria pulmonar . [22]
Para explorar técnicas de administración de fármacos que serían útiles para la ventilación líquida parcial y 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 (perflubrón) combinado con moléculas de gentamicina.
La segunda imagen muestra resultados experimentales que comparan los niveles de gentamicina en plasma y tejido 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 IV superan con creces 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) exceden uniformemente el enfoque de administración intravenosa (IV) después de 4 horas. Por tanto, el enfoque IT permite una administración más eficaz del fármaco al órgano diana manteniendo al mismo tiempo un nivel más seguro a nivel sistémico. Ambas imágenes representan el transcurso del tiempo in vivo durante 4 horas. Numerosos estudios han demostrado la eficacia de los líquidos 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 eran evidentes desde una etapa temprana, la Administración de Alimentos y Medicamentos de los EE. UU. (FDA) otorgó al producto el estado de "vía rápida" (es decir, una revisión acelerada del producto, diseñada para lograr que llegue a al público lo más rápido que sea posible y seguro) debido a su potencial para salvar vidas. Los ensayos clínicos demostraron que el uso de perflubron con ventiladores comunes mejoró los resultados tanto como el uso de ventilación oscilante de alta frecuencia (OVAF). Pero como el perflubrón no era mejor que la VAFO, la FDA no lo aprobó y Alliance ya no busca la aplicación de ventilación líquida parcial. Sigue siendo una cuestión abierta si perflubron mejoraría los resultados cuando se usa con VAFO o si tiene menos consecuencias a largo plazo que VAFO.
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 denominarse ventilación gas/líquido (GLV) y demostró ser capaz de alcanzar una velocidad de enfriamiento de 0,5 ° C por minuto en animales grandes. [44] Aún 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 aerosoles perfluoroquímicos intranasales para enfriar el cerebro de manera preferencial. [45] El abordaje nasofaríngeo (NP) es único para el enfriamiento del cerebro debido a la proximidad anatómica a la circulación cerebral y las arterias. Sobre la base de estudios preclínicos en ovejas adultas, se demostró que, independientemente de la región, el enfriamiento del cerebro era más rápido durante el enfriamiento con perfluoroquímico NP en comparación con el enfriamiento convencional de todo el cuerpo con mantas refrescantes. Hasta la fecha, se han realizado cuatro estudios en humanos, incluido un estudio aleatorizado durante la parada (200 pacientes). [46] [47] Los resultados demostraron claramente que el enfriamiento transnasal prehospitalario durante la parada es seguro, factible y se asocia con una mejora en el tiempo de enfriamiento.
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 unos 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] [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 al gas a presión parcial 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 debido a la alta viscosidad del líquido y la correspondiente reducción de su capacidad para eliminar CO2 . [4] [50] Todos los usos de la respiración líquida para el buceo deben implicar ventilación líquida total (ver arriba). Sin embargo, la ventilación líquida total tiene dificultades para mover suficiente líquido para eliminar el CO 2 , porque no importa cuán grande sea la presión total, la cantidad de presión parcial del gas CO 2 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 )). [50]
A estas presiones, la mayoría de los líquidos de fluorocarbono requieren volúmenes de líquido de ventilación minuto de aproximadamente 70 ml/kg (aproximadamente 5 l/min para un adulto de 70 kg) para eliminar suficiente CO 2 para el metabolismo normal en reposo. [51] Se trata de una gran cantidad de fluido para mover, sobre todo porque los líquidos son más viscosos y más densos que los gases (por ejemplo, el agua tiene aproximadamente 850 veces la densidad del aire [52] ). Cualquier aumento en la actividad metabólica del buceador también aumenta la producción de CO 2 y la frecuencia respiratoria, que ya está en los límites de los flujos realistas en la respiración líquida. [4] [53] [54] Parece poco probable que una persona mueva 10 litros/min de líquido de fluorocarbono sin la ayuda de un ventilador mecánico, por lo que la "respiración libre" puede ser poco probable. Sin embargo, se ha sugerido que se podría combinar un sistema de respiración líquida con un depurador de CO 2 conectado al suministro de sangre del buceador; Se ha presentado una patente estadounidense para dicho método. [55] [56]
Viaje espacial
La inmersión en líquido proporciona una forma de reducir el estrés físico de las 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 una alta 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 Libelle G-suit, que permite a los pilotos de aviones permanecer conscientes y funcionando a más de 10 g de aceleración rodeándolos de agua en un traje rígido. [57]
La protección contra la aceleración mediante 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 ga 20 g . [58]
Extender la protección contra la aceleración más allá de 20 g requiere llenar los pulmones con un líquido de densidad similar al agua. Un astronauta totalmente sumergido en un 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 direcciones simultáneamente. Los efectos aún se sentirán 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 supere los cientos de G. [59]
Es posible que la respiración líquida para protegerse contra la aceleración nunca sea práctica debido a la dificultad de encontrar un medio respiratorio adecuado de densidad similar a la del 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 en ficción
Obras literarias
La novela de ciencia ficción de Alexander Beliaev de 1928, Amphibian Man, está basada en un científico y un cirujano inconformista que hace de su hijo, Ichthyander (etimología: "pez" + "hombre") un trasplante que le salva la vida: un conjunto de branquias de tiburón. Hay una película basada en la novela.
El cuento de L. Sprague de Camp de 1938, " El tritón ", gira en torno a un proceso experimental para hacer que los pulmones funcionen como branquias, permitiendo así al ser humano "respirar" bajo el agua.
La novela Ocean on Top de Hal Clement de 1973 retrata 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 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 White Shark de Peter Benchley de 1994 se centra en los intentos experimentales de un científico nazi de crear un humano anfibio , cuyos pulmones se modifican quirúrgicamente para respirar bajo el agua y se entrena para hacerlo de forma refleja después de haber sido inundado con una solución de fluorocarbono.
La novela Federation de Star Trek de 1994 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 naves espaciales estuvieran sumergidos en cápsulas llenas de líquido, respirando una solución salina rica en oxígeno para evitar sus pulmones sean aplastados.
La novela Slow River (1995) de Nicola Griffith presenta una escena de sexo que ocurre dentro de una piscina de perflurocarbono de color 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 polimérico 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 Horus Heresy , describe a pilotos de Titán (gigantesca máquina de guerra) físicamente lisiados encerrados en tanques de fluido nutritivo. Esto les permite seguir funcionando más allá de los límites normalmente impuestos por el organismo. [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 el sufren los barcos. Los barcos entran en un "estado de aguas profundas" donde la tripulación se sumerge en el líquido 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) es completamente sumergido en un líquido respirable mezclado con químicos alucinógenos 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 les dieron ningún aparato respiratorio, pero el agua en el tanque era rica en perfluorocarbono, que transportaba más oxígeno que sangre". [63]
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. Dado que los potentes y eficientes motores de fusión 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 convierte a la nave en la más rápida de todo el espacio colonizado por humanos.
Cine y televisión
Los extraterrestres de la serie OVNI de Gerry Anderson (1970-1971) utilizan trajes espaciales que respiran líquido.
La película de 1989 The Abyss de James Cameron presenta a un personaje que utiliza respiración líquida para sumergirse miles de pies sin comprimir. The Abyss también presenta una escena con una rata sumergida y respirando un líquido de fluorocarbono, filmada en la vida real. [64]
En el anime Neon Genesis Evangelion de 1995 , las cabinas del mecha titular 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 LCL huele a sangre. Finalmente se revela que LCL es la sangre de la progenitora de los Evangelions, Lilith .
En la película Misión a Marte (2000), se representa a un personaje sumergido en un líquido aparentemente respirable antes de un lanzamiento a 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 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 volver a respirar aire.
En un episodio de la serie de dibujos animados Metalocalypse (2006-2013) de Adult Swim , 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 Demonios sobre nuestros hombros, el mago Lee Knight, interpretado por Richard E Grant , realiza un truco bajo el agua utilizando un fluido respirable.
En un episodio del programa Eureka (2006-2012) del canal Syfy , el sheriff Jack Carter es sumergido 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. La princesa Asseylum fue testigo del accidente, lo ayudó a salir de la cápsula y luego le utilizó 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 y le dice 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 sabe Bravern sobre la película.
En EVE Online Universe (2003), los pilotos en cápsulas ( cápsulas de escape que funcionan como centro de control de la nave espacial) respiran una solución en suspensión a base de glucosa respirable , nanosaturada y rica en oxígeno. [sesenta y cinco]
En el juego Helldivers 2 (2024), los pilotos de aviones utilizan perfluorocarbonos respirables en la cabina para absorber las fuerzas G y permitir maniobras más peligrosas.
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