Czy istnieje ciecz, w której mógłbyś oddychać?

Na ofi­cjal­nej stronie Świa­to­wej Orga­ni­za­cji Zdrowia można znaleźć defi­ni­cję uto­nię­cia. Według niej jest to proces “zabu­rze­nia oddy­cha­nia w następ­stwie zanu­rze­nia w cieczy”. Chłodny, urzęd­ni­czy sposób opi­sa­nia pro­ste­go faktu, że wsa­dze­nie głowy do wiadra z wodą i wzięcie wdechu, nie jest naj­lep­szym pomy­słem. Nasze płuca wyspe­cja­li­zo­wa­ły się do pobie­ra­nia tlenu z powie­trza, więc nie­spe­cjal­nie cenią sobie kontakt z jakim­kol­wiek innym medium.

Jednak cie­kaw­ski czło­wiek może zapytać, czy dotyczy to każdej cieczy? Czy nie dałoby się wyna­leźć takiej sub­stan­cji, która nie byłaby gazem, ale wpro­wa­dzo­na do płuc ssaka, umoż­li­wi­ła­by mu proces oddychania?

Jeżeli jesteś kone­se­rem kina lat 80., taki motyw może brzmieć dla ciebie znajomo. Wyko­rzy­stał go sam James Cameron w filmie The Abyss, opo­wia­da­ją­cym o grupie nurków bada­ją­cych tajem­ni­cze zja­wi­ska (bez spo­ile­ro­wa­nia) na dnie oceanu. W jednej ze scen boha­te­ro­wie roz­ma­wia­ją o utle­nio­nej emulsji flu­oro­wę­glo­wo­do­ro­wej, po czym jej wła­ści­wo­ści zostają bru­tal­nie zade­mon­stro­wa­ne na szczu­rze. Gryzoń przez kil­ka­na­ście sekund wierzga pod­ta­pia­ny w różo­wa­wej cieczy, po czym się uspo­ka­ja i zaczyna powoli oddychać.

Niezłe efekty CGI, jak na 1989 rok!

To nie jest CGI, ani żadna kukła. Cameron nakrę­cił tę sekwen­cję z praw­dzi­wym szczu­rem. Zanu­rzo­nym w praw­dzi­wej substancji.

Jeśli wierzyć reży­se­ro­wi, na planie wyko­rzy­sta­no pięć szczu­rów i wszyst­kie prze­trwa­ły zdjęcia. Jeden, który szcze­gól­nie źle zniósł scenę i wymagał inter­wen­cji, został podobno przy­gar­nię­ty przez Came­ro­na i był jego pupilem jeszcze podczas krę­ce­nia Ter­mi­na­to­ra 2. (Co nie znaczy, że wszyst­ko było w porząd­ku. Sto­wa­rzy­sze­nie Ame­ri­can Humane zwró­ci­ło uwagę, że nawet jeśli zwierzę prze­ży­ło, to zostało nara­żo­ne na skrajne wyczer­pa­nie i traumę. W Wiel­kiej Bry­ta­nii sekwen­cja została wycięta z ofi­cjal­nej wersji kinowej).

Zosta­wia­jąc na boku hol­ly­wo­odz­kie kon­tro­wer­sje, widzo­wie The Abyss zoba­czy­li na dużym ekranie powtór­kę rze­czy­wi­ste­go doświad­cze­nia, które niecałe ćwierć wieku wcze­śniej prze­pro­wa­dzi­li bio­che­mi­cy z Uni­wer­sy­te­tu Rochester.

W 1966 roku pro­fe­sor Leland C. Clark (znany głównie jako wyna­laz­ca elek­tro­dy Clarka, słu­żą­cej do mie­rze­nia ciśnie­nia par­cjal­ne­go tlenu) razem z Fran­kiem Gol­la­nem, opisali pierw­szy przy­pa­dek ssaka oddy­cha­ją­ce­go cieczą. Ich obiek­tem doświad­czal­nym była mysz zanu­rzo­na w naczy­niu z natle­nio­nym per­flu­oro­wę­glo­wo­do­rem C₈F₁₆O (znanym też jako Flu­ori­nert FC-75).

Mysz pływała, ruszała łapkami, wdy­cha­ła ciecz przez nos i ją wydy­cha­ła. I nie zdechła. Nie od razu, w każdym razie.

Jedna z anegdot krążąca w lite­ra­tu­rze głosi, że Clark odkrył wła­ści­wo­ści FC-75 przy­pad­kiem. Wcze­śniej jakaś mysz zrzą­dze­niem losu miała wpaść do zbior­ni­ka z cieczą i ku zdzi­wie­niu naukow­ca przeżyć. Bo jak wiadomo po każdym labo­ra­to­rium biegają samopas białe myszki i od czasu do czasu wpadają do otwar­tych pojem­ni­ków z różnymi podej­rza­ny­mi sub­stan­cja­mi. Dokład­nie tak się doko­nu­je postęp.

W ten czy inny sposób ame­ry­kań­scy bio­che­mi­cy odkryli, że związki z rodziny per­flu­oro­wę­glo­wo­do­rów (flu­oro­kar­bo­nów, PFC) – oparte o długie łań­cu­chy węgla i fluoru – całkiem nieźle doga­du­ją się z płucami. Są obo­jęt­ne che­micz­nie, nie­mie­szal­ne z wodą, zupeł­nie nie­tok­sycz­ne, a przede wszyst­kim można w nich roz­pusz­czać tlen. Dużo tlenu. Jakieś trzy­dzie­ści razy więcej niż w wodzie, co teo­re­tycz­nie oznacza, że jeżeli wypeł­nisz nim pęche­rzy­ki płucne, zdołasz pod­trzy­mać orga­nizm przy życiu.

No dobra, ale czy dotyczy to również organizmu człowieka?

Pierw­szym ludzkim ochot­ni­kiem, który pozwo­lił napeł­nić swoje płuca cieczą był komer­cyj­ny nurek i miło­śnik fre­edi­vin­gu o swoj­skim nazwi­sku – Frank Falej­czyk. Próba nastą­pi­ła zale­d­wie kilka lat po myszach, ale akurat nie miała nic wspól­ne­go z eks­pe­ry­men­ta­mi Lelanda Clarka. 

Niemal rów­no­le­gle własne zaawan­so­wa­ne badania nad dyfuzją gazów i zaopa­trze­niem komórek w tlen pro­wa­dził Johan­nes Kylstra. Nauko­wiec z Duke Uni­ver­si­ty nie używał jeszcze PFC, tylko zwykłej soli fizjo­lo­gicz­nej, do której wtła­czał tlen pod wysokim ciśnieniem.

Falej­czyk musiał pod­pi­sać doku­ment zwal­nia­ją­cy zespół badaw­czy z odpo­wie­dzial­no­ści prawnej, gdyby coś poszło nie tak – a ryzyko było zde­cy­do­wa­nie nie­ze­ro­we. Dopiero po tym zapro­szo­no go do labo­ra­to­rium, gdzie zało­żo­no mu spe­cjal­ną maskę, przez którą pom­po­wa­no ciecz wzbo­ga­co­ną tlenem. Minęła chwila zanim nurek stłumił w sobie natu­ral­ny odruch wstrzy­ma­nia oddechu i pozwo­lił napeł­nić swoje płuca solą fizjologiczną.

Falej­czyk przeżył, stając się de facto pierw­szym czło­wie­kiem na Ziemi, który doświad­czył oddy­cha­nia cieczą. Problem przy­szedł później. Okazało się, że łatwiej wpro­wa­dzić sub­stan­cję do układu odde­cho­we­go, niż ją w natu­ral­ny sposób wypro­wa­dzić. Skoń­czy­ło się na powi­kła­niach i ciężkim zapa­le­niu płuc. 

Mimo to eks­pe­ry­ment Kylstry uznano za sukces. Sam ochot­nik też wyko­rzy­stał swoje pięć minut sławy: odwie­dzał uni­wer­sy­te­ty i szkoły opo­wia­da­jąc młodym ludziom o swojej nie­zwy­kłej przy­go­dzie. (Jednej z takich pre­lek­cji przy­słu­chi­wał się nasto­la­tek, który marzył o karie­rze wiel­kie­go reży­se­ra. Opo­wieść Falej­czy­ka zafa­scy­no­wa­ła go na tyle, że obiecał sobie wyko­rzy­stać ten fan­ta­stycz­ny motyw w jednym ze swoich przy­szłych dzieł).

Wow, czyli oddychanie cieczą to nie tylko fantastyka!

Sprawa jest bar­dziej złożona. Doświad­cze­nia Clarka i Kylstry dostar­czy­ły wielu istot­nych infor­ma­cji, ale jed­no­cze­śnie dowio­dły, że wpro­wa­dza­nie ciekłej sub­stan­cji do płuc – czy to PFC czy soli fizjo­lo­gicz­nej – ma swoje ogra­ni­cze­nia i zawsze będzie ryzy­kow­ne. Są tu trzy główne problemy:

• Proces oddy­cha­nia odpo­wia­da nie tylko za dostar­cza­nie tkankom tlenu, ale również za odbie­ra­nie CO₂. PFC radzi sobie sku­tecz­nie tylko z pierw­szym z tych zadań. Przy bez­piecz­nym ciśnie­niu, na dłuższą metę krew zosta­ła­by zanie­czysz­czo­na przez dwu­tle­nek węgla.
• Płuca, prze­po­na i cała reszta układu odde­cho­we­go ssaków wyewo­lu­owa­ły do prze­su­wa­nia gazu, nie cieczy – i to gęst­szej od wody. Dłu­go­trwa­łe samo­dziel­ne oddy­cha­nie per­flu­oro­wę­glo­wo­do­rem byłoby potwor­ną męczar­nią dla całego orga­ni­zmu. Gro­zi­ło­by również uszko­dze­niem wraż­li­wych odcin­ków dróg oddechowych.
• To, o czym już wspo­mnia­łem, czyli powrót do oddy­cha­nia powie­trzem. Wypro­wa­dza­nie cieczy z pęche­rzy­ków jest trudne, grozi nie­rów­ną wen­ty­la­cją, spad­ka­mi utle­no­wa­nia, podraż­nie­nia­mi tkanki i wresz­cie infekcjami.

Podczas kolej­nych testów na zwie­rzę­tach – głównie myszach i kotach – Kylstra zdołał pod­trzy­mać oddy­cha­nie cieczą (tym razem PFC) przez około godzinę. Nie­ste­ty część osob­ni­ków padała później, właśnie w związku z powi­kła­nia­mi powsta­ły­mi przy usu­wa­niu sub­stan­cji z układu oddechowego.

Innymi słowy, zastą­pie­nie powie­trza cieczą jest wyko­nal­ne, ale nie­bez­piecz­ne i uciąż­li­we. Pro­ce­du­ra z całą pew­no­ścią nie prze­bie­ga tak gładko jak w The Abyss, gdzie Ed Harris po prostu wcią­gnął per­flu­oro­wę­glo­wo­dór do płuc i po chwili dys­kom­for­tu był gotowy do rato­wa­nia świata.

Co nie znaczy, że medy­cy­na odpu­ści­ła sobie temat. Chociaż PFC nie znalazł zasto­so­wa­nia wśród nurków głę­bi­no­wych, przez długi czas wyda­wa­ło się, że odpo­wied­nio wyko­rzy­sta­ny, posłuży do rato­wa­nia życia. Lekarze zaczęli eks­pe­ry­men­to­wać z zabie­ga­mi, podczas których płuca pacjen­tów wypeł­nia­no cieczą tylko czę­ścio­wo, wspo­ma­ga­jąc orga­nizm pracą respi­ra­to­ra. To tak zwana czę­ścio­wa wen­ty­la­cja płynem (partial liquid ven­ti­la­tion, PLV).

Tylko po co lekarze mieliby podtapiać pacjentów?

Medycy mieli nadzie­ję, że naj­więk­sze wady PFC okażą się zba­wien­ne z punktu widze­nia różnego rodzaju nie­wy­dol­no­ści odde­cho­wych. Logika była nastę­pu­ją­ca: ciężka i gęsta ciecz łatwo spływa do dolnych partii płuc, roz­prę­ża­jąc zapad­nię­te pęche­rzy­ki (liquid PEEP). Badania u doro­słych pacjen­tów dały jednak mocno mie­sza­ne rezultaty.

Bar­dziej obie­cu­ją­cym kie­run­kiem wyda­wa­ło się wyko­rzy­sta­nie PLV na oddzia­łach neo­na­to­lo­gii. W 1996 roku opu­bli­ko­wa­no głośną pracę o prze­te­sto­wa­niu PFC (dokład­niej per­flu­bro­nu) na 13 wcze­śnia­kach z cięż­ki­mi zabu­rze­nia­mi oddechu, u których zawio­dły kon­wen­cjo­nal­ne metody leczenia. 

Ośmioro dzieci prze­ży­ło, a autorzy nie odno­to­wa­li żadnych powi­kłań wyni­ka­ją­cych z samej pro­ce­du­ry. Jednak i tu PLV nie stała się domyśl­nym spo­so­bem lecze­nia, wyparta przez inne, łagod­niej­sze i prost­sze terapie.

Na tę chwilę oddy­cha­nie cieczą pozo­sta­je więc raczej cie­ka­wost­ką na mar­gi­ne­sie nauki niż poważ­nym roz­wią­za­niem dla jakie­go­kol­wiek pro­ble­mu. Co nie znaczy, że w przy­szło­ści wraz z roz­wo­jem tech­ni­ki i bio­che­mii, temat nie wróci do łask.

A TAK W OGÓLE TO… Temat można ugryźć też od du** strony. Nie­któ­re ryby (np. piskorz błotny) w warun­kach nie­do­tle­nie­nia potra­fią pobie­rać tlen przez jelito. Idąc tym tropem japoń­scy bio­lo­dzy posta­no­wi­li spraw­dzić, czy podobną drogą mogłyby się ratować ssaki. Żeby to spraw­dzić, wstrzyk­nę­li myszom w tyłki natle­nio­ną per­flu­oro­de­ka­li­nę, a następ­nie zamknę­li je w pojem­ni­ku z obni­żo­ną zawar­to­ścią tlenu. Zadzia­ła­ło! Tak powsta­ła EVA (enteral ven­ti­la­tion via anus), za którą w 2024 roku zespół Taka­no­rie­go Takebe otrzy­mał Ig Nobla w dzie­dzi­nie fizjologii.