TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE

Medyczne zastosowanie kriotechniki – do przechowywania preparatów biologicznych, w urządzeniach diagnostycznych i w kriochirurgii

Mateusz Salamon IMM, stopień II, semestr I rok akademicki 2012/2013

1

Spis treści

1. Wstęp .........................................................................................................................3 2. Przechowywanie preparatów biologicznych ...............................................................3 3. Kriotechnika w urządzeniach diagnostycznych ..........................................................6 4. Kriochirurgia ...............................................................................................................6 5. Bibliografia ................................................................................................................10

2

1. Wstęp Kriotechnika to dziedzina nauki zajmująca się otrzymywaniem, badaniem i wykorzystaniem bardzo niskich temperatur. Posiada szerokie zastosowanie w

przemyśle, technice, nauce.

W medycynie znalazła zastosowanie w rehabilitacji (krioterapia), transporcie preparatów biologicznych, leczeniu i w diagnostyce. Dynamiczny rozwój kriotechniki stał się możliwy dzięki możliwości skroplenia gazów uznawanych wcześniej za trudno- lub nieskraplające się, wśród których można wymienić: tlen, azot, hel, neon, ksenon, wodór, metan. Niestety, w medycynie występuje wiele czynników dyskwalifikujących stosowanie wielu gazów. Hel, neon, ksenon są gazami bardzo drogimi. Wodór i metan tworzą mieszaniny wybuchowe z powietrzem. Ciekły tlen ma bardzo wysoką reaktywność chemiczną. Wśród właściwości fizycznych stawianych cieczom kriogenicznym można wymienić: niską temperaturę wrzenia, duże wartości ciepła parowania i ciepła właściwego. Wykluczającymi cechami gazów w obszarze medycyny są: reaktywność chemiczna, właściwości trujące i wybuchowe. Kriogeniczne gazy medyczne powinny być tanie i łatwo dostępne. Wobec powyższych ograniczeń i wymagań najczęściej stosowanymi gazami w krioterapii i kriochirurgii są: azot, dwutlenek węgla oraz podtlenek azotu.

2. Przechowywanie preparatów biologicznych Przechowywanie preparatów biologicznych takich jak krew, tkanki, narządy jest wymagane w jednostkach służby zdrowia, laboratoriach, a także do transportu w transplantologii. Konieczne jest zapewnienie bezpieczeństwa preparatom, aby nie utraciły swoich właściwości. W tym celu powstały specjalne pojemniki chłodzone ciekłym azotem lub suchym lodem (zestalony dwutlenek węgla). Suchy lód otrzymywany jest poprzez rozprężanie ciekłego dwutlenku węgla i prasowanie. W warunkach normalnych suchy lód sublimuje (przechodzi bezpośrednio ze stanu stałego do gazowego) w temperaturze ok. 194K. Jego dodatkowym atutem są właściwości bakteriostatyczne. Niska temperatura otoczenia tkanek powoduje zmniejszenie ich potrzeb energetycznych. Spowolniona zostaje szybkość reakcji chemicznych, a także opóźnienie apoptozy komórki. Pojemniki do przechowywania narządów powinny zapewniać temperatury w przedziale 0-4oC lub 2-6oC dla krwi i koncentratów krwinek czerwonych. Prawidłowe przechowywanie narządów opisane jest w rozporządzeniach i normach. Proces ten rozpoczyna się od odpowiedniego schłodzenia narządu, a kończy się utrzymaniem stałej temperatury w odpowiednim pojemniku lub komorze chłodniczej. 3

Wyróżnia się dwie metody chłodzenia narządów w zależności od ich rodzaju: ●

metoda termostabilna - jest to metoda polegająca na zanurzeniu narządu w płynie o temperaturze 0-4oC. Technika ta jest powszechnie stosowana, prosta, mało kosztowna i skuteczna w przypadku narządów: wątroba i trzustka, palce, język czy małżowina uszna. Pobrany narząd zanurza się w płynie perfuzyjnym o funkcjach konserwujących, umieszcza się w sposób sterylny i hermetyczny w naczyniu. Naczynie zabezpieczone jest podwójnym opakowaniem

sterylnych

worków

plastikowych.

Następnie

umieszczane

jest

w izotermicznym kontenerze, pojemniku wypełnionym suchym lodem. 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 h. ●

metoda ciągłej perfuzji hipotermicznej - narząd umieszczany jest w sterylnym naczyniu, gdzie jest stale perfundowany pulsacyjnie roztworem chłodzącym wzbogaconym w tlen. Permanentnie kontrolowana jest temperatura, ciśnienie perfuzyjne oraz parametry biochemiczne przy użyciu układów elektronicznych. Łączny okres przechowywania i transportu wynosi 72 h.

Wyróżnia się trzy rodzaje pojemników izotermicznych w zależności od rodzaju narządu: ●

pojemniki izotermiczno-elektroniczne – pojemniki przeznaczone głównie do transportu nerek lub serca, czyli narządów, które w trakcie transportu wymagają stałej kontroli parametrów dzięki zespołowi czujników, analizowanych przez komputer. Urządzenia te (rys. 1) są najdroższe na rynku, ich używanie do transportu innych organów jest nieopłacalne. Pojemniki posiadają układ regulacji temperatury z dokładnością nawet do 0,01K oraz możliwość zmiany parametrów, takich jak: ciśnienie perfuzyjne, gęstość płynu konserwującego.

●

pojemniki izotermiczne do transportu narządów typu A – pojemniki do transportu narządów, takich jak wątroba i trzustka. Urządzenia te (rys. 2) zwykle nie posiadają układu regulacji temperatury, a jedynie zapewniają temperaturę na wybranym poziomie (przeważnie 0-4oC). W celu utrzymania niskiej temperatury w przestrzeni ładunkowej, w pojemnikach wykorzystuje się zazwyczaj suchy lód, rzadziej urządzenie sprężarkowe.

●

pojemniki izotermiczne do transportu narządów typu B – pojemniki (rys. 3) przeznaczone do transportu narządów, które wymagają przyszycia lub przeszczepienia powrotnego np. amputowane w trakcie wypadków palce, języki, małżowina uszna. Warunki temperaturowe 4

wymagane przez te narządy znajdują się w zakresach od -10 do 5oC. Są to urządzenia uniwersalne, posiadające możliwość regulacji temperatury z dokładnością do 1K.

Rys. 1 Pojemniki izotermiczno-elektroniczne

Rys. 2 Pojemniki izotermiczne do transportu narządów typu A

Rys. 3 Pojemniki izotermiczne do transportu narządów typu B

5

3. Kriotechnika w urządzeniach diagnostycznych Diagnostyka, czyli nauka o rozpoznawaniu chorób na podstawie wywiadu lekarskiego, analizy objawów i wyników badań stanowi pierwszy i podstawowy etap procesu leczenia. Najnowszą techniką obrazowania medycznego, w których zastosowano technikę niskich temperatur, jest rezonans magnetyczny NMR (Rys. 4). 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. Warunkiem uzyskania właściwości nadprzewodzących magnesu jest schłodzenie uzwojenia cewki do temperatury około -270oC. Czynnikiem chłodzącym jest ciekły hel. W niskich temperaturach opór elektryczny drastycznie spada, co umożliwia uzyskanie pola magnetyczne o dużym natężeniu. Ponadto, stosunek sygnału użytecznego do szumów decyduje o jakości obrazowania i jest zależny liniowo od natężenia pola magnetycznego. Im większe natężenie pola tym dokładniej można zmierzyć sygnał NMR, a tym samym tym lepszej jakości obraz można uzyskać.

Rys. 4 Tomograf NMR ze zbiornikiem ciekłego helu

4. 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. Skuteczność destrukcji zależy także od szybkości zamrożenia i rozmrażania tkanki. Po zamrożeniu 6

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. Wyróżniamy trzy metody zamrażania tkanek: ●

metoda wykorzystująca bezpośrednie odparowanie czynnika – polega na zamrażaniu przy pomocy wacików nawiniętych na drewniane pałeczki (Rys. 5), zanurzanych w ciekłym azocie. Zetknięcie wacika ze skórą powoduje gwałtowne odparowanie azotu pod wpływem ciepła odbieranego przez tkanki. Jest często stosowanym zabiegiem z powodu niskich kosztów i prostoty wykonania. Znalazła zastosowania przy leczeniu zmian łagodnych i płytkich. Metoda nie pozwala 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 (Rys. 6). Natrysku dokonuje się zwykle z odległości około 1cm 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. Niezbędne jest wytworzenie odpowiedniego ciśnienia w zbiorniku, z którego podawany jest czynnik chłodzący - ciekły azot lub podtlenek azotu.

●

metoda kontaktowa – zastosowanie krioaplikantów zamkniętych pozwala na leczenie zmian punktowych do średnicy kilku centymetrów. Zabieg metodą kontaktową wymaga zastosowania zamkniętego aplikatora (Rys. 7). Polega 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 do zmian guzowatych, naciekających i głębokich. 7

Zabieg trwa dłużej jednak charakteryzuje się większą efektywnością.

Rys. 5 Metoda wykorzystująca bezpośrednie odparowanie czynnika

Rys. 6 Metoda natryskowa

Rys. 7 Metoda kontaktowa 8

Zabiegi kriochirurgiczne odznaczają się wieloma zaletami, dzięki którym zdobywa co raz większą popularność. Wśród nich można wymienić: ●

kriochirurgia umożliwia pełne zniszczenie zainfekowanej 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 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

●

ogniska kriodestrukcji szybko się goją, w ich miejscu powstają delikatne elastyczne blizny, osiągany jest dobry efekt kosmetyczny

●

możliwe jest zamrażanie wznów po radioterapii, chirurgii

●

ze względu na mało obciążający charakter zabiegu, większość przypadków może być wykonana ambulatoryjnie bez obecności anestezjologa

Zabiegi kriochirurgiczne charakteryzują się krótkim czasem gojenia, brakiem powikłań i skutków ubocznych, brakiem lub niewielkimi bliznami po zabiegu, niskim kosztem, prostotą wykonania i dużą skutecznością. Efekty zabiegów kriochirurgicznych są zadowalające, często lepsze od konwencjonalnych zabiegów chirurgicznych, dzięki czemu kriochirurgia w wielu dziedzinach medycyny wypiera standardowe metody leczenia. Zabiegi kriochirurgiczne znalazły szerokie zastosowanie w dermatologii (brodawki, włókniaki, naczyniaki, odciski, tatuaże, trądziki), onkologii, laryngologii, okulistyce.

9

5. Bibliografia

●

Chorowski M.: Technologie kriogeniczne „Kriogenika w medycynie” http://www.instytut22.pwr.wroc.pl/uploads/File/Kriogenika%20w%20medycynie.pdf

●

Waszkiewicz Ł.: „Przechowywanie i transport narządów ludzkich przeznaczonych do przeszczepu”, Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna 5/2007

●

Maj J.: „Kriokoagulacja” http://www.medic.hg.pl/Kriokoagulacja.pdf

●

Chorowski M.: „Kriogenika w zastosowaniach przemysłowych, medycznych i badawczych”, Chłodnictwo i Klimatyzacja 1/2005

●

Chorowski M., Piotrowska A.: „Ocena efektywności zabiegów kriochirurgicznych z wykorzystaniem ciekłego azotu i podtlenku azotu”. Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna, nr 11/2004

10