Respiration liquide - Liquid breathing
| Respiration liquide | |
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 Modèle généré par ordinateur de molécules de perflubron et de gentamicine en suspension liquide pour administration pulmonaire
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| Engrener | D021061 |
La respiration liquide est une forme de respiration dans laquelle un organisme qui respire normalement de l'air respire un liquide riche en oxygène (comme un perfluorocarbure ), plutôt que de respirer de l' air .
En sélectionnant un liquide capable de contenir de grandes quantités d'oxygène et de CO 2 , des échanges gazeux peuvent se produire.
Cela nécessite certaines propriétés physiques telles que la solubilité des gaz respiratoires, la densité, la viscosité, la pression de vapeur et la solubilité des lipides que possèdent certains produits chimiques perfluorés (PFC). Ainsi, il est essentiel de choisir le PFC approprié pour une application biomédicale spécifique, telle que la ventilation liquide, l'administration de médicaments ou les substituts sanguins. Les propriétés physiques des liquides PFC varient considérablement ; cependant, la seule propriété commune est leur haute solubilité pour les gaz respiratoires. En fait, ces liquides transportent plus d' oxygène et de dioxyde de carbone que le sang.
En théorie, la respiration liquide pourrait aider au traitement des patients souffrant de traumatismes pulmonaires ou cardiaques graves, en particulier dans les cas pédiatriques. La respiration liquide a également été proposée pour une utilisation en plongée profonde et dans les voyages spatiaux . Malgré quelques avancées récentes en ventilation liquide, un mode d'application standard n'a pas encore été établi.
Approches
| Solubilité du gaz | |
| Oxygène | 33-66 ml/100 ml PFC |
| Gaz carbonique | 140-166 ml/100 ml PFC |
| La pression de vapeur | 0,2 à 400 torrs |
| Densité | 1,58 à 2,0 g/mL |
| Viscosité | 0,8 à 8,0 cS |
La respiration liquide étant encore une technique hautement expérimentale, plusieurs approches sont proposées.
Ventilation liquide totale
Bien que la ventilation liquide totale (TLV) avec des poumons complètement remplis de liquide puisse être bénéfique, le système complexe de tubes remplis de liquide requis est un inconvénient par rapport à la ventilation gazeuse - le système doit incorporer un oxygénateur à membrane , un réchauffeur et des pompes pour administrer et retirer des poumons des aliquotes de volume courant de perfluorocarbure conditionné (PFC). Un groupe de recherche dirigé par Thomas H. Shaffer a soutenu qu'avec l'utilisation de microprocesseurs et de nouvelles technologies, il est possible de maintenir un meilleur contrôle des variables respiratoires telles que la capacité résiduelle fonctionnelle du liquide et le volume courant pendant la TLV qu'avec la ventilation gazeuse. Par conséquent, la ventilation liquide totale nécessite un ventilateur liquide dédié similaire à un ventilateur médical sauf qu'il utilise un liquide respirable. De nombreux prototypes sont utilisés pour l'expérimentation animale , mais les experts recommandent la poursuite du développement d'un ventilateur liquide vers des applications cliniques. Un ventilateur liquide préclinique spécifique (Inolivent) est actuellement en cours de développement conjoint au Canada et en France . La principale application de ce ventilateur liquide est l'induction ultra-rapide de l'hypothermie thérapeutique après un arrêt cardiaque . Il a été démontré que cette méthode est plus protectrice qu'une méthode de refroidissement plus lente après un arrêt cardiaque expérimental.
Ventilation liquide partielle
En revanche, la ventilation liquide partielle (PLV) est une technique dans laquelle un PFC est instillé dans le poumon à un volume approchant la capacité résiduelle fonctionnelle (environ 40 % de la capacité pulmonaire totale ). La ventilation mécanique conventionnelle fournit des respirations de volume courant par-dessus. Ce mode de ventilation liquide semble actuellement technologiquement plus réalisable que la ventilation liquide totale, car la PLV pourrait utiliser la technologie actuellement en place dans de nombreuses unités de soins intensifs néonatals (UNSI) dans le monde.
L'influence du PLV sur l'oxygénation, l'élimination du dioxyde de carbone et la mécanique pulmonaire a été étudiée dans plusieurs études animales utilisant différents modèles de lésions pulmonaires. Des applications cliniques du PLV ont été rapportées chez des patients présentant un syndrome de détresse respiratoire aiguë (SDRA), un syndrome d'aspiration méconiale , une hernie diaphragmatique congénitale et un syndrome de détresse respiratoire (SDR) de nouveau - nés . Afin de mener correctement et efficacement le PLV, il est essentiel de
- doser correctement un patient à un volume pulmonaire spécifique (10-15 ml/kg) pour recruter le volume alvéolaire
- re-doser le poumon avec du PFC liquide (1-2 ml/kg/h) pour s'opposer à l' évaporation du PFC du poumon.
Si le liquide PFC n'est pas maintenu dans le poumon, le PLV ne peut pas protéger efficacement le poumon des forces biophysiques associées au ventilateur à gaz.
De nouveaux modes d'application pour PFC ont été développés.
La ventilation liquide partielle (PLV) consiste à remplir les poumons d'un liquide. Ce liquide est un perfluorocarbure tel que le perflubron (marque Liquivent). Le liquide a des propriétés uniques. Il a une tension superficielle très faible, similaire aux substances tensioactives produites dans les poumons pour empêcher les alvéoles de s'effondrer et de se coller les unes aux autres pendant l'expiration. Il a également une densité élevée, l'oxygène se diffuse facilement à travers lui et il peut avoir des propriétés anti-inflammatoires. Dans le PLV, les poumons sont remplis de liquide, le patient est ensuite ventilé avec un ventilateur conventionnel en utilisant une stratégie de ventilation pulmonaire protectrice. L'espoir est que le liquide aide au transport de l'oxygène vers les parties des poumons inondées et remplies de débris, aide à éliminer ces débris et à ouvrir davantage d'alvéoles, améliorant ainsi la fonction pulmonaire. L'étude du PLV implique une comparaison avec une stratégie de ventilation protocolisée conçue pour minimiser les dommages pulmonaires.
Vapeur de PFC
Il a été démontré que la vaporisation du perfluorohexane avec deux vaporisateurs anesthésiques calibrés pour le perfluorohexane améliore les échanges gazeux dans les lésions pulmonaires induites par l'acide oléique chez le mouton.
Les PFC à haute pression de vapeur conviennent principalement à la vaporisation.
Aérosol-PFC
Avec le perfluorooctane en aérosol , une amélioration significative de l'oxygénation et de la mécanique pulmonaire a été démontrée chez des moutons adultes présentant une lésion pulmonaire induite par l'acide oléique.
En tensio - actifs - appauvri les porcelets , l' amélioration persistante de la mécanique des échanges gazeux et du poumon a été démontrée avec aérosol-PFC. Le dispositif aérosol est d'une importance décisive pour l'efficacité de l'aérosolisation de PFC, car l'aérosolisation de PF5080 (un FC77 moins purifié ) s'est avérée inefficace en utilisant un dispositif aérosol différent chez des lapins appauvris en surfactant. La ventilation liquide partielle et l'Aérosol-PFC ont réduit la réponse inflammatoire pulmonaire .
Utilisations proposées
Plongée
La pression du gaz augmente avec la profondeur, augmentant de 1 bar (14,5 psi (100 kPa)) tous les 10 mètres à plus de 1 000 bar au fond de la fosse des Mariannes . La plongée devient plus dangereuse à mesure que la profondeur augmente, et la plongée profonde présente de nombreux dangers . Tous les animaux respirant en surface sont sujets au mal de décompression , y compris les mammifères aquatiques et les humains en apnée (voir taravana ). Respirer en profondeur peut provoquer une narcose à l'azote et une toxicité à l'oxygène . Retenir sa respiration en remontant après avoir respiré en profondeur peut provoquer des embolies gazeuses , un éclatement du poumon et un collapsus pulmonaire .
Les mélanges spéciaux de gaz respiratoires tels que le trimix ou l' héliox réduisent le risque de narcose à l'azote mais ne l'éliminent pas. Heliox élimine en outre le risque de narcose à l'azote mais introduit le risque de tremblements d'hélium en dessous d'environ 500 pieds (150 m). Les combinaisons de plongée atmosphérique maintiennent la pression corporelle et respiratoire à 1 bar, éliminant ainsi la plupart des risques de descente, de remontée et de respiration en profondeur. Cependant, les combinaisons rigides sont encombrantes, encombrantes et très chères.
La respiration liquide offre une troisième option, promettant la mobilité disponible avec les combinaisons de plongée flexibles et les risques réduits des combinaisons rigides. Avec du liquide dans les poumons, la pression dans les poumons du plongeur pourrait s'adapter aux changements de pression de l'eau environnante sans les énormes expositions de pression partielle au gaz nécessaires lorsque les poumons sont remplis de gaz. La respiration liquide n'entraînerait pas la saturation des tissus corporels avec de l'azote ou de l'hélium à haute pression qui se produit avec l'utilisation de non-liquides, ce qui réduirait ou supprimerait le besoin d'une décompression lente .
Cependant, un problème important résulte de la viscosité élevée du liquide et de la réduction correspondante de sa capacité à éliminer le CO 2 . Toutes les utilisations de la respiration liquide pour la plongée doivent impliquer une ventilation liquide totale (voir ci-dessus). La ventilation liquide totale, cependant, a du mal à déplacer suffisamment de liquide pour évacuer le CO 2 , car quelle que soit la pression totale, la quantité de pression de gaz CO 2 partielle disponible pour dissoudre le CO 2 dans le liquide respiratoire ne peut jamais être beaucoup plus que la pression à laquelle le CO 2 existe dans le sang (environ 40 mm de mercure ( Torr )).
À ces pressions, la plupart des liquides fluorocarbonés nécessitent environ 70 ml/kg de volume de ventilation par minute (environ 5 L/min pour un adulte de 70 kg) pour éliminer suffisamment de CO 2 pour un métabolisme de repos normal. C'est beaucoup de fluide à déplacer, d'autant plus que les liquides sont plus visqueux et plus denses que les gaz (par exemple, l'eau est environ 850 fois la densité de l'air). Toute augmentation de l'activité métabolique du plongeur augmente également la production de CO 2 et le rythme respiratoire, qui est déjà aux limites des débits réalistes en respiration liquide. Il semble peu probable qu'une personne déplace 10 litres/min de liquide fluorocarboné sans l'aide d'un ventilateur mécanique, donc une "respiration libre" peut être improbable. Cependant, il a été suggéré qu'un système respiratoire liquide pourrait être combiné avec un épurateur de CO 2 connecté à l'approvisionnement en sang du plongeur ; un brevet américain a été déposé pour une telle méthode.
Traitement médical
Le domaine le plus prometteur pour l'utilisation de la ventilation liquide est celui de la médecine pédiatrique . La première utilisation médicale de la respiration liquide était le traitement des bébés prématurés et des adultes atteints du syndrome de détresse respiratoire aiguë (SDRA) dans les années 1990. La respiration liquide a été utilisée dans les essais cliniques après le développement par Alliance Pharmaceuticals du bromure de perfluorooctyle fluorochimique , ou perflubron en abrégé. Les méthodes actuelles de ventilation à pression positive peuvent contribuer au développement de maladies pulmonaires chez les nouveau-nés prématurés , entraînant des maladies telles que la dysplasie bronchopulmonaire . La ventilation liquide élimine bon nombre des gradients de haute pression responsables de ces dommages. De plus, il a été démontré que les perfluorocarbures réduisent l'inflammation pulmonaire, améliorent l' inadéquation ventilation-perfusion et fournissent une nouvelle voie pour l' administration pulmonaire de médicaments .
Afin d'explorer les techniques d'administration de médicaments qui seraient utiles à la fois pour la ventilation liquide partielle et totale, des études plus récentes se sont concentrées sur l'administration de médicaments PFC à l'aide d'une suspension de nanocristaux. La première image est un modèle informatique d'un liquide PFC (perflubron) combiné à des molécules de gentamicine.
La deuxième image montre des résultats expérimentaux comparant les taux plasmatiques et tissulaires de gentamicine après une dose intratrachéale (IT) et intraveineuse (IV) de 5 mg/kg chez un agneau nouveau-né pendant la ventilation gazeuse. Notez que les niveaux plasmatiques de la dose IV dépassent largement les niveaux de la dose IT au cours de la période d'étude de 4 heures ; tandis que les niveaux de tissu pulmonaire de gentamicine lorsqu'ils sont délivrés par une suspension intratrachéale (IT), dépassent uniformément l'approche d'administration par voie intraveineuse (IV) après 4 heures. Ainsi, l'approche informatique permet une administration plus efficace du médicament à l'organe cible tout en maintenant un niveau plus sûr de manière systémique. Les deux images représentent le cours du temps in-vivo sur 4 heures. De nombreuses études ont maintenant démontré l'efficacité des liquides PFC en tant que véhicule d'administration aux poumons.
Des essais cliniques avec des nourrissons prématurés, des enfants et des adultes ont été menés. Étant donné que la sécurité de la procédure et son efficacité étaient apparentes dès le début, la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis a accordé au produit le statut de « voie rapide » (c'est-à-dire un examen accéléré du produit, conçu pour le rendre au public en tant que aussi rapidement que possible en toute sécurité) en raison de son potentiel de sauvetage. Les essais cliniques ont montré que l'utilisation du perflubron avec des ventilateurs ordinaires améliorait les résultats autant que l'utilisation de la ventilation oscillante à haute fréquence (HFOV). Mais parce que le perflubron n'était pas meilleur que le HFOV, la FDA n'a pas approuvé le perflubron et Alliance ne poursuit plus l'application de ventilation liquide partielle. La question de savoir si le perflubron améliorerait les résultats lorsqu'il est utilisé avec le HFOV ou s'il a moins de conséquences à long terme que le HFOV reste une question ouverte.
En 1996, Mike Darwin et Steven B. Harris ont proposé d'utiliser une ventilation par liquide froid avec du perfluorocarbone pour abaisser rapidement la température corporelle des victimes d' arrêt cardiaque et d'autres traumatismes cérébraux afin de permettre au cerveau de mieux récupérer. La technologie a été appelée ventilation gaz/liquide (GLV) et s'est avérée capable d'atteindre une vitesse de refroidissement de 0,5 ° C par minute chez les gros animaux. Il n'a pas encore été essayé chez l'homme.
Plus récemment, la protection cérébrale hypothermique a été associée à un refroidissement rapide du cerveau. À cet égard, une nouvelle approche thérapeutique est l'utilisation d'un spray perfluorochimique intranasal pour un refroidissement préférentiel du cerveau. L'approche nasopharyngée (NP) est unique pour le refroidissement du cerveau en raison de la proximité anatomique de la circulation cérébrale et des artères. Sur la base d'études précliniques chez des moutons adultes, il a été montré qu'indépendamment de la région, le refroidissement du cerveau était plus rapide pendant le refroidissement NP-perfluorochimique par rapport au refroidissement conventionnel du corps entier avec des couvertures rafraîchissantes. À ce jour, il y a eu quatre études humaines, dont une étude randomisée intra-arrêt (200 patients). Les résultats ont clairement démontré que le refroidissement transnasal préhospitalier intra-arrêt est sûr, faisable et associé à une amélioration du temps de refroidissement.
Voyage dans l'espace
Immersion liquide fournit un moyen de réduire le stress physique des forces G . Les forces appliquées aux fluides sont réparties sous forme de pressions omnidirectionnelles. Parce que les liquides ne peuvent pas être pratiquement comprimés, ils ne changent pas de densité sous une accélération élevée, comme lors de manœuvres aériennes ou de voyages dans l'espace. Une personne immergée dans un liquide de la même densité que les tissus a des forces d'accélération réparties autour du corps, plutôt qu'appliquées en un seul point tel qu'un siège ou des sangles de harnais. Ce principe est utilisé dans un nouveau type de combinaison G appelée la combinaison Libelle, qui permet aux pilotes d'avion de rester conscients et de fonctionner à plus de 10 g d' accélération en les entourant d'eau dans une combinaison rigide.
La protection contre l'accélération par immersion dans un liquide est limitée par la densité différentielle des tissus corporels et du liquide d'immersion, ce qui limite l'utilité de cette méthode à environ 15 g à 20 g . Étendre la protection contre l'accélération au-delà de 20 g nécessite de remplir les poumons avec un fluide de densité similaire à l'eau. Un astronaute totalement immergé dans un liquide, avec du liquide à l'intérieur de toutes les cavités corporelles, ressentira peu d'effet des forces G extrêmes car les forces sur un liquide sont réparties de manière égale et dans toutes les directions simultanément. Cependant, les effets se feront sentir en raison des différences de densité entre les différents tissus corporels, de sorte qu'une limite d'accélération supérieure existe toujours.
La respiration liquide pour la protection contre l'accélération peut ne jamais être pratique en raison de la difficulté de trouver un milieu respiratoire approprié de densité similaire à l'eau qui est compatible avec le tissu pulmonaire. Les fluides perfluorocarbonés sont deux fois plus denses que l'eau, donc inadaptés à cette application.
Exemples dans la fiction
Travaux littéraires
- Le roman de science-fiction d' Alexander Beliaev de 1928 Amphibian Man est basé sur un scientifique et un chirurgien non-conformiste, qui fait de son fils, Ichthyander (étymologie : "poisson" + "homme") une greffe vitale - un ensemble d'ouïes de requin. Il y a un film basé sur le roman.
- La nouvelle de L. Sprague de Camp de 1938 " The Merman " repose sur un processus expérimental pour faire fonctionner les poumons comme des branchies, permettant ainsi à un être humain de " respirer " sous l'eau.
- Le roman Ocean on Top de Hal Clement de 1973 dépeint une petite civilisation sous-marine vivant dans une « bulle » de fluide oxygéné plus dense que l'eau de mer.
- Le roman de 1975 de Joe Haldeman , The Forever War, décrit l'immersion dans les liquides et la respiration dans les moindres détails comme une technologie clé pour permettre les voyages dans l'espace et le combat avec une accélération jusqu'à 50 G.
- Dans le roman de Star Trek: The Next Generation The Children of Hamlin (1988), l'équipage de l' Enterprise -D rencontre une race extraterrestre dont les vaisseaux contiennent un environnement liquide respirable.
- Le roman White Shark de Peter Benchley de 1994 est centré sur les tentatives expérimentales d' un scientifique nazi pour créer un humain amphibie , dont les poumons sont modifiés chirurgicalement pour respirer sous l'eau et entraînés à le faire par réflexe après avoir été inondé d'une solution de fluorocarbure.
- Judith et Garfield Reeves-Stevens ' 1994 Star Trek novel Federation explique qu'avant l'invention de l' amortisseur inertiel , les contraintes de l'accélération élevée obligeaient les pilotes de vaisseau à être immergés dans des capsules remplies de liquide, respirant une solution saline riche en oxygène pour empêcher leurs poumons d'être écrasés.
- Le roman Slow River de Nicola Griffith (1995) présente une scène de sexe se déroulant dans un bassin de perfluorocarbone rose argenté de vingt pieds cubes, avec la sensation décrite comme "comme respirer un poing".
- Le roman Jupiter (2000) de Ben Bova présente un engin dans lequel l'équipage est suspendu dans un liquide respirable qui leur permet de survivre dans l'environnement à haute pression de l'atmosphère de Jupiter .
- Dans le roman de science-fiction de Scott Westerfeld , The Risen Empire (2003), les poumons de soldats effectuant une insertion depuis l'orbite sont remplis d'un gel polymère riche en oxygène avec des pseudo-alvéoles intégrées et une intelligence artificielle rudimentaire .
- Le roman Mechanicum (2008) de Graham McNeill , livre 9 de la série de livres Horus Heresy , décrit des pilotes de Titan (une gigantesque machine de guerre) physiquement paralysés enfermés dans des réservoirs de fluide nutritif. Cela leur permet de continuer à fonctionner au-delà des limites normalement imposées par le corps.
- Dans le roman de 2009 The Lost Symbol de Dan Brown , Robert Langdon (le protagoniste) est complètement immergé dans un liquide respirant mélangé à des produits chimiques hallucinogènes et des sédatifs comme technique de torture et d'interrogatoire par Mal'akh (l'antagoniste). Il passe par une expérience de mort imminente lorsqu'il inhale le liquide et s'évanouit , perdant le contrôle de son corps, mais est bientôt réanimé.
- Dans le roman California Bones de Greg van Eekhout en 2014 , deux personnages sont placés dans des réservoirs remplis de liquide : « Ils n'ont reçu aucun appareil respiratoire, mais l'eau du réservoir était riche en perfluorocarbone, qui transportait plus d'oxygène que le sang.
- Dans le roman de science-fiction de l' auteur AL Mengel , The Wandering Star (2016), plusieurs personnages respirent un fluide oxygéné lors d'une plongée pour explorer une ville sous-marine. Ils plongent dans des "bulles" à haute pression remplies de fluide perfluorocarboné .
- Dans Tiamat's Wrath , un roman de 2019 de la série The Expanse de James SA Corey , l'empire laconien utilise un navire avec des nacelles à respiration liquide à immersion totale qui permettent à l'équipage de subir des forces g considérablement accrues. Comme les moteurs à fusion puissants et économes en carburant de la série ont fait des seules limitations pratiques de l'accélération d'un navire la capacité de survie de l'équipage, cela fait du navire le plus rapide de tout l'espace colonisé par l'homme.
Cinéma et télévision
- Les étrangers dans le Gerry Anderson UFO série (1970-1971) utilisent des scaphandres liquides à respirer.
- Le film de 1989 The Abyss de James Cameron présente un personnage utilisant la respiration liquide pour plonger à des milliers de pieds sans se comprimer. The Abyss présente également une scène avec un rat immergé dans un liquide fluorocarboné et respirant, filmé dans la vraie vie.
- Dans l' anime Neon Genesis Evangelion de 1995 , les cockpits du mecha titulaire sont remplis d'un liquide oxygéné fictif appelé LCL qui est nécessaire pour que le pilote se synchronise mentalement avec un Evangelion, ainsi que pour fournir une oxygénation directe de leur sang et amortir les impacts de la bataille. Une fois le cockpit inondé, le LCL est ionisé, ce qui rapproche sa densité, son opacité et sa viscosité de celles de l'air.
- Dans le film Mission to Mars (2000), un personnage est représenté comme étant immergé dans un fluide respirable apparent avant un lancement à haute accélération.
- Dans la saison 1, épisode 13 de Seven Days (1998-2001), le chrononaute Frank Parker est vu respirer un liquide perfluorocarboné hyper-oxygéné qui est pompé à travers une combinaison intégrale scellée qu'il porte. Cette combinaison de combinaison et de liquide lui permet de monter à bord d'un sous-marin russe à travers l'océan ouvert à une profondeur de près de 1000 pieds. En montant à bord du sous-marin, il retire son casque, expulse le liquide de ses poumons et peut à nouveau respirer de l'air.
- Dans un épisode de la série de dessins animés Adult Swim Metalocalypse (2006-2013), les autres membres du groupe plongent le guitariste Toki dans une "chambre d'isolement à l'oxygène liquide" tout en enregistrant un album dans la fosse des Mariannes .
- Dans un épisode de l' émission Eureka de Syfy Channel (2006-2012), le shérif Jack Carter est immergé dans un réservoir de " plasma riche en oxygène " pour être guéri des effets d'un accident scientifique.
- Dans la série animée Aldnoah.Zero (2014-2015), l'épisode 5 montre que Slaine Troyard était dans une capsule remplie de liquide lorsqu'il s'est écrasé. La princesse Asseylum a été témoin de l'accident, l'a aidé à sortir de la capsule, puis a utilisé la RCR sur lui pour extraire le liquide de ses poumons.
Jeux vidéo
- Dans le classique jeu de stratégie au tour par tour sur PC de 1995 X-COM: Terror from the Deep , les "Aquanautes" combattant dans des conditions océaniques profondes respirent un fluide dense porteur d'oxygène.
- Dans l' univers EVE Online (2003), les pilotes dans des capsules (des capsules d' échappement qui fonctionnent comme le centre de contrôle du vaisseau spatial) respirent une solution de suspension à base de glucose respirable, riche en oxygène, nano-saturée .