NIE REAGUJĄ, ZA TO ROZPUSZCZAJĄ

Stosowane w naukach biomedycznych oraz biotechnologii perfluorozwiązki to syntetyczne związki organiczne, w których pozostał szkielet węglowy, a wszystkie atomy wodoru z cząsteczek węglowodorów zostały zastąpione podstawnikami fluorkowymi. Taka zamiana skutkuje drastyczną zmianą własności fizykochemicznych. Związki stają się odporne na temperaturę, nie wchodzą w żadne reakcje chemiczne. Są bezbarwne, bezzapachowe, klarowne.

Co w nich interesującego? Ich najciekawsza bioinżynierska właściwość polega na tym, że rozpuszczają ogromne ilości tlenu i dwutlenku węgla, czyli gazów oddechowych. Dzięki temu mogą być wykorzystane jako proste układy symulujące wymianę gazową, czyli po prostu umożliwiające przez krótki czas oddychanie płynem.

Ciekłe perfluorozwiązki odkryto w latach 40-tych XX w. podczas naukowego Projektu Manhattan - budowy bomby atomowej. Okazało się wówczas, że idealnie nadają się do przechowywania uranu. W cieczy perfluorowanej można rozpuścić nawet 40 razy więcej tlenu niż w wodzie (do 45 ml w 100 ml wody) i trzy razy więcej dwutlenku węgla niż w układach wodnych. Ciecze te porównywane są do biologicznych nośników gazów oddechowych – w przypadku kręgowców - hemoglobiny.

Rozwój technik biomedycznych opartych o perfluorozwiązki datuje się na początek lat 60-tych XX wieku. To wtedy po raz pierwszy umieszczono w naczyniu z płynem głowę myszy laboratoryjnej, która w takim środowisku doskonale sobie poradziła. Obecnie najpopularniejsze zastosowania perfluorozwiązków to sztuczna wentylacja cieczą i czasowe zamienniki krwi. Może to być też sposób na specyficzne podawanie leków – na przykład do układu oddechowego. To również powszechne w użyciu preparaty do transportowania organów przeznaczonych do transplantacji – schłodzone i natlenione. Wykorzystuje się je też w chirurgii oka jako czasowe zamienniki ciałka szklistego.

ODDYCHANIE JAK W ŁONIE MATKI

Sztuczna wentylacja cieczą to metoda wspomagania oddychania przy użyciu ciekłego nośnika tlenu. Świetnie sprawdza się ona w próbach ratowania wcześniaków. Leżące w inkubatorze dzieci zmuszone są do oddychania powietrzem, podczas gdy w organizmie matki ich drogi oddechowe wypełnione były cieczą. Wypełnienie płuc fazą ciekłą jest zgodne z fizjologią wcześniaków, wtedy oskrzela i oskrzeliki nie zapadają się. Takie wspomaganie jest stosowane na oddziałach neonatologicznych także w Polsce.

Pierwsze badania kliniczne nad metodą sztucznej wentylacji cieczą wcześniaków prowadzono w latach 90-tych XX w. Ciecze perfluorowane okazały się nie tylko skutecznym narzędziem przeciwko deformacjom układu oddechowego wcześniaków. Np. w płucach pacjentów, którzy długotrwale leżą, zbiera się wydzielina, która zmniejsza obszar wymiany gazowej. Przy zastosowaniu cieczy wykorzystywana jest cała objętość pęcherzyka płucnego. Płuca pacjenta (dorosłego lub małego), wentylowanego w ten sposób, zalewa się cieczą, która cyrkuluje między płucami a kolumną absorpcyjną, w której ciecz jest z powrotem nasycana tlenem.

Osobom zdrowym natomiast perfluorozwiązki pozwalają na nurkowanie na ekstremalnych głębokościach. Po zalaniu płuc cieczą perfluorowaną nurkowie można dokonywać na przykład napraw na platformach wiertniczych.

ZAMIAST KRWI DLA CIĘŻKO RANNYCH

Ciecze, w których rozpuszczony jest tlen, mogą być stosowane jako czasowe zamienniki krwi. To rozwiązanie stosowane na przykład na polu bitwy czy po wypadku komunikacyjnym, kiedy niezbędne jest podtrzymanie funkcji życiowych podczas transportu do jednostki klinicznej. Można zastosować ten preparat niezależnie od grupy krwi pacjenta. Perfluorozwiązki ciekłe są też aplikowane podczas długotrwałych zabiegów chirurgicznych. Dzięki temu nie trzeba marnować wielu litrów krwi na przepłukiwanie naczyń krwionośnych operowanego wiedząc, że będzie ona i tak wypływała z organizmu przez rany. Przy przygotowaniu do operacji zbierana jest krew chorego, podczas zabiegu podawany jest preparat perfluorowany, po operacji osłabiony pacjent dostaje z powrotem swoją krew.

Ciecz podana do organizmu szybko paruje i jest wydalana poprzez płuca (wydychana). Nie obciąża wątroby, bo przez nią nie przechodzi. Po czterech dniach nie pozostaje po niej w krwiobiegu pacjenta nawet ślad. Preparaty zastępujące krew są ważne około roku i mogą być przechowywane w temperaturze pokojowej. To duża zaleta, bo krew pobrana w stacji krwiodawstwa ma tylko kilkadziesiąt dni ważności i wymaga ścisłych rygorów przechowywania. Naukowcy potrafią uzyskiwać krople o średnicy 0,2 mikrometra, są one zatem mniejsze niż erytrocyty i lepiej penetrują naczynia włosowate o małej średnicy.

Badania nad zamiennikami krwi były inspirowane m.in. potrzebami osób, które z powodów światopoglądowych nie mogły być poddawane transfuzjom. Na razie jednak nauka nie rozwiązała ich problemów - nic nie może równać się z prawdziwą tkanką, jaką jest krew.

APLIKACJE BIOTECHNOLOGICZNE

Perfluorozwiązki są cięższe niż woda. Ich gęstość, w połączeniu z brakiem mieszalności z wodą oraz z fazą organiczną, np. tłuszczami, pozwala tworzyć warstwy, w których można hodować komórki, np. w bioreaktorze. Perfluorozwiązki zawsze lokują się na dnie naczynia, nad nimi zawsze będzie faza wodna, nad nią ewentualnie faza organiczna. Dzięki właściwościom tych cieczy mogą powstawać struktury przestrzenne. Wydział Inżynierii Chemicznej i Procesowej we współpracy z Akademią Medyczną w Warszawie pracuje nad hodowlami tkanki chrzęstnej do przeszczepów. Najbardziej rozpowszechniony perfluorozwiązek to teflon - polimer perfluorowany. Oprócz patelni wykonuje się z niego uszczelnienia i tworzywa sztuczne, które daje się plastycznie obrabiać. W przemyśle tekstylnym z użyciem teflonu produkuje się kurtki z goretexu.

PAP – Nauka w Polsce, Karolina Olszewska

kol/ ula/