Medyczne zastosowanie kriotechniki do przechowywania

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
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
TN
TK
pK
[K]
[K]
[MPa]
ƍc
ƍp
[kg/m3] [kg/m3]
R
[kJ/kg]
Hel
He
4,2
5,2
0,229
124,9
16,9
20,3
Wodór
H2
20,3
33,0
1,29
70,8
1,34
446,0
Neon
Ne
27,1
44,5
2,73
1207
9,58
85,8
Azot
N2
77,3
126,2
3,39
808
4,62
199,0
Argon
Ar
87,3
150,9
4,90
1395
5,77
163,0
Tlen
O2
90,2
154,6
5,04
1140
4,47
213,0
Metan
CH4
111,6
190,5
4,60
423
1,82
510,0
Podtlenek azotu
N2 O
183,6
309,7
7,17
1266
-
376,0
Dwutlenek węgla
CO2
194,6
304,2
7,28
1510
1,98
573,0
Tab. 1. Własności czynników kriogenicznych: TN – normalna temperatura wrzenia, TK –
temperatura krytyczna, pK – ciśnienie krytyczne, ƍ c – gęstość cieczy w TN, ƍp – gęstość par w
TN, R – ciepło parowania
1
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 N2 zapewnia bardzo niską temperaturę (ok 150°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
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
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
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
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
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
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
 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

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
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:
1. www.medicshop.com
2. www.transmedics.com
3. www.chomikuj.pl/pajro/Medycyna/Medycyna+Alternatywna
11