TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE SEMINARIUM

TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE
SEMINARIUM
Medyczne zastosowanie kriotechniki – do przechowywania preparatów
biologicznych, w urządzeniach diagnostycznych i w kriochirurgii.
Dorota Lisowska
Inżynieria Mechaniczno-Medyczna
II stopień, II semestr
Gdańsk 2011
Spis treści
1.
Wstęp ..............................................................................................................................3
2.
Zastosowanie kriotechniki w urządzeniach diagnostycznych ...........................................3
3.
Zastosowanie kriotechniki w kriochirurgii .......................................................................5
4.
Zastosowanie kriotechniki do przechowywania preparatów biologicznych ......................9
5.
Podsumowanie .............................................................................................................. 11
2
1. Wstęp
Kriotechnika jest dziedziną zajmująca się zastosowaniem niskich temperatur.
Wykorzystuje się ją m.in. w przemyśle, technice, nauce, ale także i w medycynie. Rozwój
kriotechniki pozwolił na uzyskanie bardzo niskich temperatur, a co za tym idzie
rozszerzył się zakres wykorzystania zimna i właściwości materiałów, które zmieniają się
po schłodzeniu.
Już 2500 lat p.n.e. Egipcjanie byli świadomi uśmierzającego działania zimna. W
dzisiejszych czasach w medycynie techniki niskotemperaturowe wykorzystuje się w
leczeniu operacyjnym (kriochirurgia), rehabilitacji (krioterapia), transporcie preparatów
biologicznych, a także pośrednio w diagnostyce medycznej. Zimno niszczy komórki
chorobowe, spowalnia reakcje biochemiczne komórek w czasie transportu narządów do
transplantacji, a nawet staje się pomocny w funkcjonowaniu tomografów NMR,
wywołując efekt nadprzewodnictwa.
2. Zastosowanie kriotechniki w urządzeniach diagnostycznych
Urządzenia diagnostyczne pozwalają określić stan zdrowia pacjenta i ocenić zmiany
chorobowe postępujące w jego organizmie. W dzisiejszych czasach aparatura jest
niezbędnym elementem pracy lekarza pozwalającym na nieinwazyjne oglądanie wnętrza
ciała badanej osoby.
Wśród szerokiej gamy aparatury diagnostycznej znajduje się tomograf NMR.
Urządzenie to przeprowadza badanie, którego wynikiem jest obraz MRI (magnetic
resonance imaging) powstały za pomocą rezonansu magnetycznego (rys. 1). Zjawisko to
polega na wykrywaniu protonów w badanym narządzie. Silne pole elektromagnetyczne
generowane
przez
magnes
pobudza
protony
do
wysyłania
promieniowania
elektromagnetycznego. Badanie przeprowadza się w celu rozpoznania i oceny zmian
rakowych, a także u osób z chorobą Alzheimera.
3
Rys. 1 Zdjęcie MRI powstałe przy użyciu tomografu NMR
Źródło: Chorowski M., „Pożytki z niskich temperatur”, Dolnośląski Festiwal Nauki, Wrocław, 2005
Podstawowymi
elektromagnes
elementami
wytwarzający
budowy
pole
tomografu
magnetyczne,
są:
NMR
nadajnik
i
nadprzewodzący
odbiornik
fal
o
częstotliwościach radiowych i elektromagnesy gradientowe, ułożone wzdłuż trzech
prostopadłych do siebie kierunków (rys. 2). Pacjenta umieszcza się na stole aparatu i
wsuwa do komory urządzenia w stałe pole magnetyczne o wysokiej energii.
Rys. 2 Schemat budowy rezonansu magnetycznego
Źródło: Coyne K., „MRI: A Guided Tour”, dostępne w Internecie:
http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/magnetacademy/mri/
4
Za powstanie pola magnetycznego odpowiedzialny jest elektromagnes stały lub
znacznie częściej stosowany elektromagnes nadprzewodzący. Jego zadaniem jest
wytwarzanie
jednorodnego,
silnego
i stałego
w czasie pola
magnetycznego.
Elektromagnesy nadprzewodzące wykonywane są z niobku tytanu i umieszczane w
kriostacie wypełnionym ciekłym helem o temperaturze wrzenia ok. 4K. Chłodzenie
elektromagnesu do tak niskiej temperatury wywołuje zjawisko nadprzewodnictwa, czyli
wypchnięcie z objętości nadprzewodnika pola magnetycznego (efekt Meissnera) i
zaniknięcie oporu elektrycznego. Dzięki temu otrzymuje się znacznie większe natężenie i
stabilność pola magnetycznego, niż w przypadku elektromagnesu stałego. Zużycie energii
na wytworzenie pola jest stosunkowo niewielkie ze względu na zerową rezystancję.
Wysoka cena ciekłego helu stanowi główną wadę tego typu urządzeń.
3. Zastosowanie kriotechniki w kriochirurgii
Kriochirurgia jest zabiegiem polegającym na miejscowym, kontrolowanym niszczeniu
tkanek zmienionych chorobowo poprzez działanie na nie temperaturami kriogenicznymi.
Za początek kriochirurgii wykorzystującej prawdziwie niskie temperatury można
uznać rok 1950. W tym czasie Allington wprowadził ciekły azot do lecznictwa
dermatologicznego. Mroził on zmiany skórne (brodawki, leukoplaki, naczyniaki) za
pomocą bawełnianego wacika zanurzonego w roztworze ciekłego azotu. Technika ta
stosowana jest w niezmieniony sposób do dnia dzisiejszego.
Kriochirurgia znajduje coraz większe zastosowanie w leczeniu pacjentów. Jest
alternatywą dla chirurgii klasycznej (z użyciem skalpela), a także dla zabiegów
elektrokoagulacji. Wskazania do zabiegu:

choroby nowotworowe – nowotwory łagodne i mało zaawansowane
nowotwory złośliwe skóry, warg i błon śluzowych jamy ustnej, nowotwory
złośliwe i trudnodostępne do leczenia chirurgicznego ze względu na swą
lokalizację (jama ustna, gardło, noc zatoki przynosowe), guzy przysadki i
szyszynki,

choroby oczu – krioekstrakcja soczewki w zaćmie, przewlekłe owrzodzenie
rogówki o wirusowej etiologii,
5

choroby nosa, gardła i krtani – polipy, naczyniaki nosa, jamy ustnej i krtani,
brodawczaki, żylaki przegrody nosa, gardła i przełyku,

choroby dróg oddechowych – wczesne okresy nowotworu złośliwego tchawicy
i oskrzeli,

choroby ginekologiczne – nadżerki szyjki macicy,

choroby układu moczowego – brodawczaki, nowotwory złośliwe pęcherza
moczowego.
Wśród przeciwwskazań do operacji kriochirurgicznych znajdują się m.in.:
 obecność innych chorób, których zaostrzenie może być spowodowane
miejscowym obniżeniem temperatury,
 schorzenia terapeutyczne uniemożliwiające wygojenie odczynu po zamrożeniu.
W zależności od rodzaju ogniska chorobowego, operację przeprowadza się jedną z
trzech powszechnie stosowanych metod. Zmiany płytkie i łagodne zamraża się przy
użyciu wacika zanurzanego w ciekłym azocie o temperaturze wrzenia ok. 77K (rys. 3).
Rys. 3 Metoda kriochirurgii z użyciem wacika bawełnianego.
Źródło: Chorowski M., „Pożytki z niskich temperatur”, Dolnośląski Festiwal Nauki, Wrocław, 2005
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. Niesamowicie ważny w tej
metodzie jest aspekt higieniczny. Waciki powinny być wymieniane podczas leczenia
każdego nowego pacjenta, a naczynia, do których odlewany jest azot powinny poddawać
6
się sterylizacji lub być przeznaczone do jednorazowego użytku. Nieprzestrzeganie ww.
zasad może prowadzić do zakażeń bakteryjnych i wirusowych (m.in. wirusem HIV).
Kolejnym sposobem zamrażania tkanek jest natryskiwanie ich z odległości 1cm.
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. W celu otrzymania lepszego efektu mrożenia, strefy sąsiadujące ze sobą
powinny na siebie częściowo nachodzić. Czynnikiem chłodzącym w tym przypadku jest
ciekły azot (ok. 77K) lub podtlenek azotu (184K). Kriociecz rozpyla się na zmianę
chorobową, z której następnie czynnik odparowuje powodując tym samym zamrożenie
komórek.
Rys. 4 Krioaplikator stosowany w metodzie natryskowej.
Źródło: Chorowski M., „Pożytki z niskich temperatur”, Dolnośląski Festiwal Nauki, Wrocław, 2005
W przypadku opisywanej metody istnieje duża trudność w ocenie głębokości i
rzeczywistej strefy zamrożenia. Istotnym parametrem przeprowadzanego zabiegu jest
natężenie strumienia gazu. Duże natężenie zwiększa głębokość zamrożenia, ale również
poszerza pole mrożenia. W efekcie może dojść do niepożądanego zniszczenia tkanek
zdrowych otaczających zmianę chorobową. Na skuteczność leczenia wpływa także
ciągłość zabiegu. Ważne jest, aby możliwy był stały dopływ czynnika chłodzącego do
krioaplikatora natryskującego (rys. 4).
Kolejną znaną metodą kriochirurgii jest technika kontaktowa. Polega ona na mrożeniu
zmian skórnych za pomocą krioaplikatorów zamkniętych, schładzanych przepływającym
w ich wnętrzu ciągłym strumieniem gazu (rys. 5). Jako czynnik chłodzący stosuje się
podtlenek azotu lub dwutlenek węgla. Metoda ta jest przeznaczona dla zmian
chorobowych o różnych wielkościach – od punktowych do kilkucentymetrowych ognisk.
7
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.
Rys. 5 Krioaplikator stosowany w metodzie kontaktowej.
Źródło: Chorowski M., „Pożytki z niskich temperatur”, Dolnośląski Festiwal Nauki, Wrocław, 2005
Zabieg kriochirurgiczny składa się z 3 głównych etapów:

szybkie zamrażanie, podczas którego zachodzi zmiana konsystencji ogniska
chorobowego do twardego lodu,

odpowiednio długi czas krioaplikacji, w który narasta „kula lodowa”,

powolne rozmrażanie.
Szybkie zamrażanie, a następnie rozmrażanie powoduje nieodwracalne zmiany w
komórce, które prowadzą do martwicy nieprawidłowej tkanki. W przeciwieństwie do
innych sposobów leczenia – po rozmrożeniu tkanka swym wyglądem może wręcz nie
różnić się od tkanki zdrowej, mimo że została zniszczona w sposób nieodwracalny.
Ilość powtórzonych cykli zamrażanie/rozmrażanie znacząco wpływa na efektywność
zabiegu. Po rozmrożeniu tkanek, w miejscu przeprowadzanego zabiegu, pojawia się
zaczerwienienie związane z przekrwieniem oraz obrzęk. Po kilku godzinach pojawia się
wysięk lub pęcherz utrzymujący się na powierzchni skóry prze 7-10 dni. Następnie w
jego miejsce powstaje strup, który odpada samoistnie po okresie 2-3 tygodni.
Kriochirurgia odznacza się szeregiem zalet dzięki czemu stała się alternatywą dla
innych metod operacyjnych. Przede wszystkim jest bezbolesna (pacjent może odczuwać
delikatne pieczenie), czego nie można powiedzieć o elektrokoagulacji, która wymaga
8
stosowanie miejscowego znieczulenia. Ponadto leczenie zimnem jest bezkrwawe, a
blizny powstające po zabiegu są elastyczne, mniejsze i samoistnie zanikają. Metoda ta
przeznaczona jest dla pacjentów bez ograniczenia wiekowego. Zabieg trwa krótko,
dlatego też kriochirurgia zaliczana jest do medycyny jednego dnia.
4. Zastosowanie
kriotechniki
do
przechowywania
preparatów
biologicznych
Preparaty biologiczne takie jak tkanka, krew, czy narząd często podlegają
transplantacji. Ratują życie ludziom z pewnymi dysfunkcjami organów, bądź uzupełniają
braki krwi jakie powstały w trakcie operacji, czy też na skutek wypadku, w którym
pacjent odniósł obrażenia. Odległość między dawcą a biorcą może być bardzo duża. W
związku z tym preparaty biologiczne należy przetransportować w taki sposób, aby nie
straciły swoich właściwości, nie doszło do niedotlenienia i zahamowania produkcji ATP
przez narządy, a także nie powinny one ulec procesom biochemicznym.
W celu spełnienia ww. wymagań powstały specjalne pojemniki chłodzone ciekłym
azotem lub suchym lodem. Pod pojęciem suchego lodu kryje się zestalony dwutlenek
węgla, otrzymywany przez rozprężanie ciekłego dwutlenku węgla i jego prasowanie. W
warunkach normalnych suchy lód sublimuje (temperatura sublimacji ok. 194K), czyli
przechodzi bezpośrednio ze stanu stałego do stanu gazowego. Sublimacja 1dm3 suchego
lodu, w warunkach normalnych trwa około 2-3 godziny. Utrzymanie stałej niskiej
temperatury otoczenia, w której byłby przechowywany pojemnik z suchym lodem
dodatkowo spowolni proces przemiany fazowej. Suchy lód charakteryzuje się
właściwościami bakteriostatycznymi.
Obniżenie temperatury tkanek powoduje zmniejszenie ich potrzeb energetycznych.
Udowodniono, że w temperaturze 5°C zapotrzebowanie na tlen stanowi nie więcej niż
5% zapotrzebowania w temperaturze 37°C. Metabolizm komórkowy w niskiej
temperaturze nie zostaje całkowicie zatrzymany, mimo niedokrwienia narządu.
Spowolniona zostaje szybkość reakcji chemicznych i opóźnienie śmierci 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
9
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 dwa sposoby przechowywania i transportu narządów przeznaczonych do
przeszczepu:

metoda termostabilna – polega na zanurzeniu narządu w płynie o temperaturze
pomiędzy 0 a 4°C, a następnie umieszczeniu go w naczyniu o odpowiednim
rozmiarze. Naczynie zabezpiecza się podwójnym plastikowym workiem, po czym
wkłada się je do izotermicznego pojemnika utrzymującego pożądaną temperaturę.
Taki sposób transportu narządów jest najbardziej popularny, ze względu na niski koszt
i dużą skuteczność. Przechowywanie preparatów biologicznych tą metodą nie może
przekroczyć 48 godzin. Transport narządów możliwy jest dzięki pojemnikom
izotermicznym
typu
A
(przechowywanie
wątroby,
trzustki)
lub
typu
B
(przechowywanie palców, języka, małżowiny)
Rys. 6 Pojemnik izotermiczny typu A
firmy Medic Supplies Co.
Rys. 7 Pojemnik izotermiczny klasy B
firmy Med Technologies
Źródło: http://www.dometic.com
Źródło: www.medtech.com
10

metoda ciągłej perfuzji hipotermicznej – stosowana podczas transportu nerek lub
serca.
Wymagana
jest
obecność specjalnej
aparatury chłodniczo-medycznej
wydłużającej czas przechowywania do 72 godzin. Do transportu tego typu narządów
wykorzystuje się pojemniki izotermiczno-elektroniczne, które pozwalają na stałą
kontrolę parametrów.
Rys. 6 Pojemnik izotermiczno-elektroniczny firmy Dometic Systems
Źródło: http://www.dometic.com/enlu/Europe/Luxembourg/Medical-Systems/Cold-Chain/Transport-Boxes/
5. Podsumowanie
Kriotechnika w medycynie odnalazła szereg zastosowań. Wypiera tradycyjne metody
operacji, a także wprowadza innowacyjność w tą dziedzinę nauki. Ułatwia proces
diagnostyczny, etap leczenia, przeprowadzenie operacji, ale także okres rekonwalescencji
staje się mniej bolesny i dokuczliwy. Zastosowanie technik niskotemperaturowych w
medycynie przyniosło wiele korzyści zarówno dla pacjentów, jak i lekarzy. Możliwy stał
się nawet kilkunastogodzinny transport pobranych do przeszczepu naczyń, bez naruszania
ich funkcjonalności. Być może realny stanie się znany z filmów science fiction proces
zamrażania człowieka w celu wprowadzenia go w stan hibernacji i powrót do życia po
kilkuset latach. Pierwsze próby spełnienia tego typu wizji zostały już wprowadzone w
życie, właśnie dzięki możliwości utrzymywania niskich temperatur.
11
Bibliografia:
1. Coyne K., „MRI: A Guided Tour”, dostępne w Internecie:
http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/magnetacademy/mri/
2. Maj J., „Kriokoagulacja”, artykuł dostępny w Internecie:
http://www.medic.hg.pl/Kriokoagulacja.pdf
3. Tobała J., Witkowska A., Olsztyński A., „Praktyczne uwagi na temat wybranych
aspektów kriochirurgii zmian skórnych”, Dermatologia Kliniczna 6/2004: 29-35
4. Waszkiewicz Ł., „Przechowywanie i transport narządów ludzkich przeznaczonych do
przeszczepu”, Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna 5/2007: 205-210
5. M. Chorowski: „Pożytki z niskich temperatur czyli dlaczego „za zimno” widzimy
lepiej”, Dolnośląski Festiwal Nauki, Wrocław, 2005
6. M. Chorowski: Technologie kriogeniczne „Kriogenika w medycynie”, artykuł
dostępny w Internecie:
http://www.instytut22.pwr.wroc.pl/uploads/File/Kriogenika%20w%20medycynie.pdf
7. M. Jakubiak, D. Wojnowska: „Kriochirurgia i jej zastosowanie w dermatologii”,
artykuł dostępny w Internecie:
http://www.czytelniamedyczna.pl/1370,kriochirurgia-i-jej-zastosowanie-wdermatologii.html
8. M. Chorowski: „Kriogenika w zastosowaniach przemysłowych, medycznych i
badawczych”, Chłodnictwo i Klimatyzacja 1/2005
12