Medyczne zastosowanie kriotechniki do przechowywania

Techniki niskotemperaturowe w medycynie
Medyczne zastosowanie kriotechniki do przechowywania preparatów biologicznych, w
urządzeniach diagnostycznych i kriochirurgii.
Wykonała:
Patrycja Czonstke
Inżynieria mechaniczno – medyczna
II sem, st. II
28.11.2011r.
1. Leczenie „zimnem”
Uważa się, że leczenie zimnem jest jedną z najstarszych form leczenia. Już 2500 lat
p.n.e. Egipcjanie stwierdzili, że zimno działa uśmierzająco na miejscu urazu i ma działanie
przeciwzapalne. Współczesne technologie pozwalają na uzyskiwanie dużo niższych
temperatur niż ta, jaką zapewniał okład ze śniegu lub lodu. Wiadome jest nam, że „zimno”
zmniejsza obrzęk oraz krwawienie, oraz nie wywołuje skutków ubocznych i nie obciąża
układu krążenia [1]. Oczywiście, długie przebywanie na mrozie nie jest dla nas korzystne, i
nie należy tej kwestii w żaden sposób łączyć z leczniczym działaniem „zimna”.
2. Kriogeniczne gazy w medycynie
Określone przez lekarzy parametry zabiegów kriomedycznych (temperatura końcowa tkanki,
czas zabiegu) wskazują na przydatność do zastosowań w urządzeniach kriomedycznych
czynników roboczych o temperaturze wrzenia niższej od 200 K (-73`C) Powyższe kryterium
spełniają wszystkie czynniki zestawione w tabeli 1. Hel, neon i ksenon są czynnikami dość
drogimi, co niekorzystnie wpływa na ekonomiczność eksploatacji. Wodór oraz metan tworzą
mieszaniny wybuchowe z powietrzem, natomiast ciekły tlen ma wysoką aktywność
chemiczną. Kriociecze wykorzystywane w medycynie oprócz niskiej temp. Wrzenia, dużej
wartości ciepła parowania i ciepła właściwego, nie mogą być aktywne chemicznie, trujące,
wybuchowe a także powinny być łatwo dostępne i tanie. Tylko wyżej wspomniane trzy gazy
spełniają wszystkie warunki i są wykorzystywane w krioterapii oraz kriochirurgii [2].
Tab. 1 Własności czynników kriogenicznych [2].
3. Przechowywanie preparatów biologicznych
Ciekły azot oraz suchy lód są idealnymi środkami chłodzącymi podczas transportu i
czasowego przechowywania preparatów biologicznych takich, jak: krew, tkanka lub narząd.
Zestalony dwutlenek węgla zapewnia nieprzerwane przez określony czas utrzymywanie
temperatury w przedziale od +10°C do -25°C. Poza zdolnościami chłodniczymi CO2 posiada
właściwości bakteriostatyczne. Granulat suchego lodu jest dostarczany w specjalnych
kontenerach. Dzięki swoistej izolacji pojemników suchy lód można w nich przechowywać
przez wiele dni bez strat i zmian jego właściwości. Przykładowy pojemnik z suchym lodem
przedstawia rys. 1 [5]. Czysty azot wrze w temperaturze -195,8 °C (77,35 K) w zależności od
czystości i aktualnego ciśnienia atmosferycznego w zakresie 77–78 K, a ulega zestaleniu przy
-210,0 °C (63,14 K). Na rynku wielu producentów oferuje pojemniki do przechowywania
preparatów biologicznych, przykładowy znajduje się na rys. 2. Temperatura przechowywania
może sięgać nawet –190°C [5].
Rys. 1 Pojemnik izotermiczny z suchym lodem [5]
Rys. 2 Pojemnik z ciekłym azotem [5].
4. Przechowywanie narządów
Przechowywanie narządów są opisane w normach i stosownych rozporządzeniach.
Aby narząd nadawał się do przeszczepienia należy wytyczne te, ściśle przestrzegać.
Przechowywanie narządów rozpoczyna się od odpowiedniego schłodzenia narządu, a kończy
się utrzymaniem stałej temperatury w odpowiednim pojemniku lub komorze chłodniczej.
Wyróżniamy dwie metody chłodzenia narządów w zależności od ich rodzaju, a są to [4]:
•
metoda termostabilna – jest to metoda polegająca na zanurzeniu narządu w płynie o
temperaturze pomiędzy 0 a 4oC. Technika ta jest najbardziej rozpowszechniona. Jest
prosta, mało kosztowna i skuteczna w odniesieniu do takich narządów, jak wątroba
czy trzustka oraz narządów takich jak: palce, język czy uszy. Pobrany narząd
zanurzony w płynie perfuzyjnym o funkcjach konserwujących jest w sposób sterylny i
hermetyczny
umieszczony
w naczyniu. Naczynie to zabezpieczone podwójnym
opakowaniem sterylnych worków plastikowych jest z kolei umieszczane w
izotermicznym kontenerze lub pojemniku. W latach 90 pojemniki takie na czas
przechowywania i transportu wypełnione były lodem w kostkach. Aktualnie
najczęściej stosowanym rozwiązaniem 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
jest równy
72 godzinom. W przypadku tej metody narząd umieszczany jest w
sterylnym naczyniu, gdzie jest stale perfundowany pulsacyjnie roztworem chłodzącym
wzbogaconym w tlen, gdzie można stale kontrolować temperaturę, ciśnienie
perfuzyjne oraz parametry biochemiczne przy użyciu układów elektronicznych
czujników połączonych z komputerem przetwarzającym te informacje.
W zależności od tego z jakim narządem mamy do czynienia, wyróżniamy trzy rodzaje
pojemników izotermicznych, a mianowicie [4]:
•
pojemniki izotermiczno-elektroniczne – są to pojemniki przeznaczone głównie do
transportu nerek czy serc, czyli narządów, które w trakcie transportu wymagają stałej
kontroli parametrów dokonywanej przez zespół czujników i analizowanych przez
komputer. Urządzenia tego typu (rys. 3) są w związku z tym urządzeniami
najdroższymi na rynku i ich używanie do transportu innych organów jest nieopłacalne
ze względów finansowych. Pojemniki tego typu posiadają układ regulacji temperatury
z dokładnością nawet do 0,01 K oraz możliwość zmiany takich parametrów, jak
ciśnienie
perfuzyjne,
gęstość
płynu
konserwującego,
czy
inne
parametry
biochemiczne;
•
pojemniki izotermiczne do transportu narządów typu A – są to pojemniki do
transportu narządów, takich jak wątroba i trzustka. Urządzenia tego typu (rys. 4) nie
posiadają zwykle układu regulacji temperatury, a jedynie zapewniają temperaturę na
wybranym poziomie (przeważnie 0-4oC). Jako sposób chłodzenia dla utrzymania
niskiej temperatury w przestrzeni ładunkowej, w pojemnikach tego typu wykorzystuje
się zazwyczaj suchy lód oraz rzadziej urządzenie sprężarkowe;
•
pojemniki izotermiczne do transportu narządów typu B – są to pojemniki (rys. 5)
przeznaczone do transportu narządów, które wymagają przyszycia lub przeszczepienia
powrotnego. Do tego typu narządów należą amputowane w trakcie wypadków takie,
jak: palce, języki, czy też np. małżowina uszna. Warunki temperaturowe wymagane
przez narządy tego typu sprawiają, iż urządzenia takie działają przeważnie w
zakresach od -10 do 5oC. Są to urządzenia uniwersalne posiadające możliwość
regulacji temperatury przeważnie z dokładnością do 1 K, w zależności od rodzaju i
wymagań narządu umieszczonego w środku.
Rys.3 pojemnik izotermiczno –
elektroniczny [4]
Rys.4 Pojemnik typu A [4].
Rys. 5 Pojemnik typu B [4].
5. Kriotechnika w urządzeniach diagnostycznych
Przebieg leczenia zależy od prawidłowego rozpoznania choroby. Diagnostyka, czyli
nauka o rozpoznawaniu chorób na podstawie
wywiadu lekarskiego, analizy objawów i
wyniku badań dodatkowych stanowi pierwszy i podstawowy etap procesu leczenia. 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. Co ważne, aby magnes stał się nadprzewodnikiem musi zostać
schłodzony do temperatury około -270 oC. Takie chłodzenie zapewnia ciekły hel. Tomograf
NMR wraz ze zbiornikiem z ciekłym helem znajduje się na rys. 6 [1, 5]. 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. Od początku lat 80tych w tomografach MRI stosuje się magnesy z materiałów nadprzewodzących II typu.
Jednym z najczęściej stosowanych w MRI nadprzewodników jest spiek niobu i tytanu [1].
Rys. 6 Tomograf NMR wraz ze zbiornikiem ciekłego helu [5].
6. Kriochirurgia
.
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.
Ważną rolę odgrywa rodzaj komórek, bowiem istnieje znaczna różnica między wrażliwością
różnych tkanek na niską temperaturę. Szczególnie wrażliwe są melanocyty, a tkanka łączna
wykazuje znaczną oporność. Skuteczność destrukcji zależy także 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[2, 6]. Wyróżniamy trzy metody zamrażania tkanek [2]:
1) Metoda wykorzystująca bezpośrednie odparowanie czynnika – polega ona na
zamrażaniu przy pomocy wacików nawiniętych na drewniane pałeczki (rys. 7), 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.
2) Metoda natryskowa – urządzenia kriochirurgiczne wyposażone są w odpowiednie
końcówki do zamrażania natryskiem (rys. 8). Natrysku dokonuje się zwykle z odległości
około 1 cm od powierzchni skóry. Zabieg metodą natryskową polega na aplikowaniu ciekłego
czynnika bezpośrednio na powierzchnię tkanki. Rozpylona ciecz kriogeniczna odparowuje,
obniżając temperaturę powierzchni skóry. Do jej zastosowania niezbędne jest wytworzenie
ciśnienia
w
zbiorniku,
z
którego
podawany
jest
kriogen.
3) Metoda kontaktowa – zastosowanie krioaplikantów zamkniętych pozwala na leczenie
zamian punktowych do średnicy kilku centymetrów. Zabieg metodą kontaktową wymaga
zastosowania zamkniętego aplikatora (rys.9). W jego przestrzeni przepływa ciekły czynnik,
który odbierając ciepło odparowuje. Do tkanki przylega powierzchnia mrożąca przekazująca
ciepło od tkanki do kriogenu. Zastosowanie aplikatora zamkniętego uniemożliwia
bezpośredni kontakt kriocieczy z powierzchnią skóry.
Rys. 7 Metoda kontaktowa [2]
Rys. 8 Metoda natryskowa [2].
Rys. 9 Metoda kontaktowa [2].
Zabiegi kriochirurgiczne cieszą się coraz większą popularnością, gdyż odznaczają się
wieloma zaletami, m.in.[6]:
•
skutecznością;
•
krótkim czasem gojenia;
•
brakiem skutków ubocznych;
•
brakiem powikłań;
•
brakiem lub niewielkimi bliznami pozostającymi po zabiegu;
•
oddziaływaniem tylko na tkankę chorobowo zmienioną (w przypadku nowotworu:
środki farmakologiczne- chemioterapia, inne formy leczenia - radioterapia
oddziaływują na cały organizm);
•
prostą techniką zabiegu;
•
stosunkowo krótkim czasem zabiegu;
•
stosunkowo niskim kosztem zabiegu;
•
możliwością stosowania w warunkach ambulatoryjnych bez obecności anestezjologa
(bez konieczności znieczulenia ogólnego, a znieczulenie miejscowe w wybranych
przypadkach).
W ostatnich latach kriochirurgia znalazła zastosowanie w różnych dziedzinach medycyny,
a coraz większe ma także dla dermatologii. Poza nowotworami skóry ma zastosowanie w
leczeniu nienowotworowych schorzeń skóry takich jak [6]:
•
brodawki zwykłe zwane potocznie kurzajkami;
•
włókniaki;
•
naczyniaki;
•
brodawki łojotokowe tzw. starcze;
•
stany przednowotworowe (rogowacenie posłoneczne i inne),
•
niektóre raki skóry;
•
kłykciny kończyste w obrębie narządów płciowych i odbytu;
•
odciski;
•
tatuaże;
•
trądziki;
•
łysienie plackowate;
•
i wiele innych.
Dostępne urządzenia stwarzają możliwość wyboru w zależności od planowanego zakresu
leczenia, częstotliwości wykorzystania urządzeń, jak i doświadczenia w przeprowadzaniu
zabiegów. Najbardziej popularne w tej grupie są małe przenośne aparaty o pojemności do 1
dm3, w których ręczny nacisk na dźwignię zaworu umożliwia wypływ ciekłego azotu. Zaletą
tych urządzeń jest możliwość wykonania zabiegu również u chorego w domu, a także
mniejsze zużycie ciekłego azotu. Schemat takiego aparatu przedstawia rys. 10 [3]. Mimo, że
zbiornik urządzenia jest izolowany, z otoczenia dopływa strumień ciepła. Powoduje on
odparowywanie ciekłego azotu a w konsekwencji podnoszenie się ciśnienia. W celu
zabezpieczenia przed nadmiernym wzrostem ciśnienia montuje się zawór bezpieczeństwa. W
przypadku, gdy ciśnienie przekroczy wartość graniczną zawór otwiera się umożliwiając
wydostanie się nadmiaru par ze zbiornika.
Rys. 10 Schemat aparatu z ciekłym azotem [3].
Zamknięcie zaworu spustowego oraz rozpoczęcie pracy zaworu dozującego powoduje
obniżenie ciśnienia w zbiorniku. Pod wpływem różnicy ciśnień między wnętrzem aparatu i
otoczeniem następuje wypływ ciekłego czynnika. Proces wymiany ciepła odbywa się przez
odparowywanie na powierzchni tkanki ciekłego czynnika kriogenicznego [3].
Nieco prostsza jest zasada działania aparatu z podtlenkiem azotu. Aparat ten, pobiera z
butli pary podtlenku azotu i poddaje je procesowi dławienia izentalpowego. Proces ten
powoduje powstanie mieszaniny parowo – cieczowej, którą natryskuje się na powierzchnię
tkanki. Schemat aparatu z podtlenkiem azotu przedstawia rys. 11 [3].
Rys. 11 Schemat aparatu z podtlenkiem azotu [3].
7. Bibliografia
[1] Janowski T.; Technologie nadprzewodnikowe i plazmowe w energetyce; Lubelskie
Towarzystwo Naukowe; Lublin 2009
[2] Chorowski M., Piotrowska A.: Ocena efektywności zabiegów kriochirurgicznych z
wykorzystaniem ciekłego azotu i podtlenku azotu. Technika Chłodnicza i
Klimatyzacyjna, nr 11/2004, część 1
[3] Chorowski M., Piotrowska A.: Ocena efektywności zabiegów kriochirurgicznych z
wykorzystaniem ciekłego azotu i podtlenku azotu. Technika Chłodnicza i
Klimatyzacyjna, nr 12/2004, część 2
[4] Przechowywanie i transport narządów ludzkich przeznaczonych do przeszczepu.
Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna, nr 5/2007
[5] www.wentylacja.com
[6] www.poradnikmedyczny.pl