Seminar - Medicinska fizika

Univerza v Ljubljani
Fakulteta za matematiko in fiziko
Seminar naloga pri predmetu Medicinska fizika
PLJUČA
Avtorji: Urška Gradišar, Jošt Tekavec, Klemen Pečnik, Aleš Koprivc
Ljubljana, 10.5.2010
Kazalo
1.
Uvod.......................................................................................................................................... 1
2.
Anatomija pljuč ......................................................................................................................... 1
3.
4.
5.
6.
2.1.
Sapnik................................................................................................................................ 1
2.2.
Sapnici ............................................................................................................................... 2
2.3.
Pljučni mešički ali alveole ................................................................................................... 2
Fizika dihanja............................................................................................................................. 3
3.1.
Dihanje .............................................................................................................................. 3
3.2.
Difuzija............................................................................................................................... 3
3.3.
Transport kisika po krvi ...................................................................................................... 4
3.4.
Transport ogljikovega dioksida........................................................................................... 5
3.5.
Količina zraka, ki ga potrebujemo za dihanje ...................................................................... 5
3.6.
Delo, potrebno za dihanje .................................................................................................. 6
Bolezni pljuč .............................................................................................................................. 7
4.1.
Bronhitis ............................................................................................................................ 7
4.2.
Astma ................................................................................................................................ 7
4.3.
Pnevmotoraks.................................................................................................................... 8
4.4.
FIbroza............................................................................................................................... 8
4.5.
KOPB (kronična obstruktivna pljučna bolezen) ................................................................... 9
4.6.
Pljučnica ............................................................................................................................ 9
4.7.
Azbestna bolezen............................................................................................................. 10
4.8.
Pljučni rak ................................................................................................10_Toc260673793
Pripomočki .............................................................................................................................. 10
5.1.
Inhalator .......................................................................................................................... 10
5.2.
Respirator ........................................................................................................................ 11
5.3.
Ventilator......................................................................................................................... 11
5.4.
Kisik ................................................................................................................................. 12
Kaj nam prinaša prihodnost ..................................................................................................... 12
6.1.
Transplantacija pljuč ........................................................................................................ 12
6.2.
Umetna pljuča ................................................................................................................. 14
6.3.
Tkivni inženiring in regerativna medicina.......................................................................... 14
7.
Zaključek ................................................................................................................................. 15
8.
Viri in literatura ....................................................................................................................... 16
1. Uvod
Pljuča so del dihalne verige, ki omogoča organizmu preskrbo z energijo, potrebno za oksidacijo
hranilnih molekul. V pljučih poteka izmenjava dihalnih plinov (O2, CO2).
Pljuča ležijo v prsnem košu, kjer jih obkroža in ščiti rebrna kletka. Dno pljuč leži na trebušni preponi,
vršički pljuč pa segajo do višine ključnice.
V seminarju bo predstavljena anatomija pljuč; podrobno delovanje pljuč s fizikalnega stališča; bolezni
pljuč; pripomočke za zdravljenje le-teh; in pa novosti s področja medicine, kar se tiče presajanja
pljuč, umetnih pljuč in ostalih zamisli za kvalitetnejše življenje pljučnih bolnikov.
2. Anatomija pljuč
Kisik v zraku preide v pljuča po dihalnih poteh ali dihalnih traktih. Potovanje dihalnih plinov po
dihalnih poteh omogoča celoten dihalni sistem, ki poleg cevja vključuje še dihalne mišice (trebušna
predpona ter notranje in zunanje medrebrne dihalne mišice), dihalne živce in poprsne opne. Tisti del
dihalnega sistema, ki zajema zgolj dihalne poti, razdelimo v dva trakta in sicer zgornjega in spodnjega.
Zgornji dihalni trakt sestavljajo vsi deli, ki so zunaj
prsne votline. To so: nosna votlina, žrelo, grlo in
zgornji del sapnika. Spodnji dihalni trakt pa
sestavljajo deli, ki so v prsni votlini. Ti pa so:
spodnji del sapnika in pljuča. Sapnik ali traheja se
še zunaj pljuč razdeli v dve sapnici ali glavna
bronhija, v pljučih pa se sapnici delita v čedalje več
manjših sapnic in nazadnje v sapničice ali
bronhiole. Prav na koncu se sapničice razširijo v
pljučne mešičke ali alveole.
2.1. Sapnik
Stena sapnika in sapnic je obdana s prstanastimi hrustanci, ki preprečujejo, da bi se dihalne poti
sesedle in omogočajo nemoten pretok zraka do pljuč. Sluznica, tako v sapniku kot v grlu in nosni
votlini,je prekrita z migetalčnim epitelom. Migetalke neprestano odstranjujejo tuje delce, ki z zrakom
zahajajo v sapnik. Delce odstranjujejo tako, da jih dlačice z usmerjenim gibanjem potiskajo naprej
proti grlu in naprej proti požiralniku.
1
2.2. Sapnici
Leva in desna sapnica, ki izhajata iz sapnika se ugrezata vsaka v svoje pljučno krilo, sestavljeno iz
pljučnega tkiva. Nadaljnja cepljenja sapnic v drobnejše in še drobnejše sapnice tako razvejijo celotno
cevje v pljučnih krilih, da spominja na drevesne veje, zato pogosto temu rečemo kar sapnično drevo.
Na koncu sapničnega drevesa se nazadnje najtanjše sapnice delijo v sapničice, tako da je v človeških
pljučih več kot dvajset zaporednih razvejitev. Najtanjše sapničice na koncu nimajo hrustančnih
obročev, končujejo pa se z grozdom pljučnih ali alveolarnih mešičkov.
2.3. Pljučni mešički ali alveole
Alveole so funkcionalna enota pljuč in mesto kjer poteka izmenjava plinov. Pljučni mešički v
posameznem grozdastem kupčku so med sabo povezani in zbrani v tvorbo, ki ji pravimo pljučna
vrečka. Notranji prostori posameznih mešičkov so med seboj povezani. Stene so zgrajene iz
preprostega ploščatega enoslojnega epitela, ki za difuzijo dihalnih plinov skorajda ne pomeni
nikakršne pregrade. V prostorih med grozdi alveol je prožno vezivno tkivo, ki je pomembno pri izdihu.
Med izdihom začne pošiljanje živčnih impulzov iz podaljšane hrbtenjače hitro upadati, trebušna
prepona in zunanje medrebrne mišice pa se sprostijo. Ker začne prožno tkivo v pljučih, ki je bilo med
vdihom raztegnjeno, vleči pljuča skupaj,se začnejo ta krčiti in stiskati pljučne mešičke. Zato tlak
naraste nad zunanji zračni tlak, zaradi česar se začne zrak iztiskati iz pljuč.
V vsakem krilu je na miljone alveol, vsakega pa obdaja omrežje pljučnih kapilar. Tudi stene kapilar so
sestavljene samo iz enojnega ploščatega epitela. Tako je med zrakom, ki je v notranjosti alveole, in
krvno kapilaro samo dvojni sloj izredno tankih sploščenih celic, skozi katere z lahkoto poteka difuzija
plinov.
Prostornina dihalnih poti je približno 150 ml.
Vsak pljučni mešiček obdaja na notranji površini tanka
plast tkivne tekočine, ki je bistvena za difuzijo plinov.
Da plin lahko preide prek celične membrane v celico ali
iz nje, se mora raztopiti v tekočini. Tekočina je
potrebna za prehajanje plino, ampak vseeno lahko
povzroča težave. Ker se molekule tekočine zaradi
kohezijskih sil med sabo privlačijo, bi tanka plast
2
tekočine na notranjih površinah lahko potegnila šibke stene pljučnih mešičkov skupaj. Ti bi se začeli
stiskati eden v drugega in nastal bi en sam mehur, s precej manjšo dihalno površino. Nazadnje bi
lahko prišlo celo do poškodovanja nežnih sten pljučnih mešičkov. Za preprečitev le tega celice v steni
alveol izločajo posebne površinsko aktivne snovi imenovane surfaktante, ki se vrinejo med molekule
tekočine in zmanjšujejo privlačne sile. S fizikalnega stališča rečemo, da znižajo površinsko napetost
tekočine. Zato mešički ostanejo napihnjeni in tako omogočajo dihalnim plinom nemoteno prehajanje
vanje in iz njih.
3. Fizika dihanja
Večina celic v človeškem telesu dobiva energijo z oksidacijo organskih snovi. Pri tem procesu se v
celici kemijska energija iz molekul v hrani pretvarja v energijo, ki je neposredno uporabna za
delovanje celice (molekule ATP). Hranljive snovi se tako razgradijo do ogljikovega dioksida in vode.
Celična aktivnost se tako kaže v sprejemanju in porabi kisika ter izločanju CO2 in H20.
Proces oskrbe s kisikom in odvajanja produktov omogočajo različni transportni mehanizmi, ki delujejo
na principu tlačnih razlik v dihalnem sistemu.
3.1. Dihanje
Ritmično spreminjanje prostornine pljuč zagotavlja obnavljanje alveolarnega zraka. Razlog za to je
gibanje prsnega koša. Pri vdihu pride do spuščanja trebušne prepone navzdol in pa do krčenja
medrebrnih mišic, ki dvigajo rebra, tako da se poveča prostornina pljuč. To povzroči razliko med
atmosferskim in alveolarnim tlakom (palv < patm), zato atmosferski zrak vdre v pljuča. Vdihnjeni zrak
je bogatejši s kisikom (vsebuje 80% dušika in 20 % kisika).
Pri izdihu se zaradi zmanjševanja volumna pljuč zrak izstisne skozi dihalne poti navzven. Sestava
izdihnjenega zraka pa je približno: 80% dušika, 16% kisika in 4% ogljikovega dioksida.
3.2. Difuzija
Ko atmosferski zrak po dihalnih poteh pride do pljučnih
mešičkov (alveolov), začne kisik iz njega prehajati skozi
alveolarno steno v notranje okolje, kri pa ga prenaša do
tkiv po telesu. Kisik nato prehaja skozi celično membrano
do mitohondrijev, kjer se med oksidacijskimi procesi
porablja. Ogljikov dioksid pa prehaja v nasprotni smeri.
3
Zmenjava plinov med pljučnimi mehurčki in krvjo poteka z difuzijo skozi alveolarno steno. Količina
snovi, ki preide z difuzijo v časovni enoti je enaka:
D… difuzijska konstanta
A… površina stene
d… debelina stene
ΔC… razlika koncentracij
n… število molekul
K… Kroghova difuzijska konstanta
Δp… razlika parcialnih tlakov
Molekule kisika v alveolu se neprestano zadevajo v steno alveola, pritisk molekul na steno opišemo z
parcialnim tlakom kisika pO2. Plin difundira iz območja z višjim tlakom na območje z nižjim tlakom,
vse dokler se tlaka ne izenačita. Ker je alveolarna stena tanka (od 0.1 µm do 0.4 µm), stična površina
med alveolami in krvjo pa velika (70 m2 v vsakem pljučnem krilu) je difuzijska izmenjava dihalnih
plinov zelo učinkovita.
Kisik se nato v krvi raztopi, za koncentracijo plina v raztopini velja zveza:
…koncentracija
…koeficient topljivosti
Primer:
S(kisik)=1.37 µmol/l/mm Hg
S(ogljikov dioksid)= 30 µmol/l/mm Hg
Vidimo, da se ogljikov dioksid pri enakih parcialnih tlakih, približno 20 krat bolje raztaplja v krvi od
kisika.
Izračunamo lahko tudi, koliko kisika se raztopi v litru krvi:
3.3. Transport kisika po krvi
Ker mora kri za ohranjanje celične aktivnosti dovajati do celic 200 ml kisika na liter krvi, vidimo, da
samo raztapljanje ne zadostuje za zadovoljitev metabolnih potreb organizma.
4
Zato pri transportu dihalnih plinov po krvi sodeluje še en transportni mehanizem, to je vezava plinov
na prenašalne molekule.
Kisik se po difuziji v plazmo raztopi in veže na hemoglobin v eritrocitih. Ta vezava je reverzibilna,
hemoglobin lahko kisik veže ali pa sprošča, odvisno od parcialnega tlaka kisika v krvi. To opisuje
afiniteta hemoglobina do kisika, ki je:
večja v alveolih: p(kisika)= 13.3 kPa, zasičenost je skoraj 100%, kisik se veže na hemoglobin
manjša v tkivih, p(kisika)=5.33 kPa, zasičenost je 75%, hemoglobin zaradi nizkega tlaka kisika v krvi
slabše zadržuje kisik, ta se sprošča in difundira proti tkivnim celicam, kjer je njegov parcialni tlak
zaradi porabe v mitohondrijih še nižji
Značilnosti hemoglobina
Hemoglobin (Hb)je kromoprotein, sestavljen iz štirih podenot. Vsaka izmed njih je iz polipeptidne
verige (globina) na katero preko Fe2+ iona vezana kompleksna organska molekula- hem. Ta ion lahko
veže nase tudi molekulo kisika, če je parcialni tlak kisika dovolj velik (okrog 100 mm Hg). Posamezna
molekula Hb lahko tako nase veže štiri molekule kisika.
Vezanje kisika se stopnjuje, vezava ene molekule pospeši vezavo naslednje. Enako velja pri sprostitvi
molekul kisika.
Zvišanje temperature zniža afiniteto Hb za kisik, zato se na mestih večje metabolne aktivnosti (ki so
izvor toplote) kisik lažje sprošča.
Znižanje pH zniža afiniteto do kisika. Metabolna aktivnost, pri kateri nastaja CO2 in H+ ioni olajša
sproščanje kisika.
3.4. Transport ogljikovega dioksida
Ogljikov dioksid je bolj topen od kisika, po krvi se prenaša 10% raztopljenega CO2. Po prehodu iz tkiv v
skozi stene krvnih kapilar se spaja z vodo v H2CO3. Ta šibka kislina nato hitro razpade v HCO3- in H+. V
tej obliki se transportira 60% ogljikovega dioksida. CO2 ne reagira samo z vodo, vendar se veže tudi na
hemoglobin.
3.5. Količina zraka, ki ga potrebujemo za dihanje
Pri vsakem vdihu vstopi v dihala približno 0.5 l atmosferskega zraka. Če predpostavimo, da odrasel
človek pri mirovanju vdihne približno 15 krat na minuto, vidimo, da na minuto vdihnemo 7.5 l zraka.
Kratek račun pokaže, da na dan tako z dihanjem porabimo približno 14 kg zraka.
5
3.6. Delo, potrebno za dihanje
Tako kot za vse aktivnosti, je tudi za proces
dihanja potrebna energija. Količina porabljene
energije pri vdihu in izdihu je odvisna od
spremembe prostornine pljuč. Pri izračunu
tega dela je potrebno najprej definirati
količino, ki povezuje pljučni volumen z tlakom
v pljuči, torej nekakšno »elastičnost« pljuč C
(compliance). Čeprav zveza med prostornino
in tlakom ni povsem linearna, je v izračunih, ki
sledijo, zaradi poenostavitve linealizirana.
V splošnem pa velja:
Na grafu lahko vidimo, da krivulji pri vdihu in izdihu ne sovpadata, ampak pride do nekakšne
histereze.
Izračun dela, ki ga opravimo pri vdihu lahko začnemo z enačbo, ki opisuje opravljeno delo pri
raztezanju idealnega plina:
.
Upoštevamo še:
Z Vt označimo povprečen volumen vdihnjenega zraka in dobimo:
Primer:
Če z
označimo število vdihov v časovni enoti, lahko izračunamo porabljeno energijo na
časovno enoto:
6
Pri podatkih:
dobimo rezultat:
Če predpostavimo še, da znaša izkoristek pri pretvorbi energije v delo 20%, vidimo, da za
dihanje porabimo dnevno 34 kcal, kar je približno 2% dnevnega vnosa kalorij (2000 kcal).
4. Bolezni pljuč
4.1. Bronhitis
Gre za virusno vnetje sapnic. Največkrat sta prizadeti veliki sapnici, lahko pa tudi srednje velike
sapnice in celo sapničice. Ker gre pri bronhitisu za pravi vnetni odziv, pri katerem nabreknejo sluznica
in globlja tkiva, se zožijo notranje dihalne poti. Bolezenski zanki so: kašelj z izmečkom,zmerno
povišana temperatura.
Poznamo tudi kronični bronhitis, ki se pojavi dolgotrajni izpostavljenosti različnim onesnaževalcem
zraka ali kajenju.
4.2. Astma
Je bolezen, pri kateri prihaja do večkratnih ponavljajočih se napadov težkega dihanja, po navadi
zaradi zunanjih vzrokov. Gre za zoženje dihalnih poti v majhnih sapnicah ali sapničicah. V zdravih
sapnicah in sapničicah so v njihovih stenah
gladke mišice pretežno sproščene. To zagotavlja
široko svetlino in neoviran prehod zraka. Različni
dejavniki, pa lahko povzročijo, da se tene in
sluznica vnamejo, zaradi česar pride do alergijske
reakcije, ki skrči gladke mišice. Zelo se zoži
svetlina dihalnih poti,razmere pa otežuje še
nabrekle sluznice,ki napolnijo notranjost dihalnih
poti s sluzjo. Pri astmatičnem napadu se
nenadno in nevarno zožijo dihalne poti. Napad
lahko ublažimo z različnimi inhalatorji, tako da
vdihnemo snovi, ki zavirajo vnetje in sproščajo
gladke mišice v steni sapnic in sapničic.
7
4.3. Pnevmotoraks
Pnevmotoraks je prisotnost zraka znotraj plevralne votline in odriva medpljučje s krvnimi žilami in
srcem.Velja za eno pogostejših oblik bolezni prsnega koša in se deli glede na vzrok nastanka na
spontani, travmatski in iatrogeni pnevmotoraks.
•
Spontani pnevmotoraks nastane brez poškodbe. Lahko je primarni (pri osebi brez
opaženih pljucnih bolezni) ali sekundarni (pri osebi z že izraženo pljucno boleznijo).
Vecina bolnikov s primarnim spontanim pnevmotoraksom ima prikrito pljucno bolezen.
•
Travmtski pnevmotoraks je posledica poškodbe prsnega koša ali pljuc.
•
Iatrogeni pnevmotoraks je rezultat diagnosticnega ali terapevtskega zdravniškega
posredovanja (biopsija plevre, pljuc, vstavitev žilnega katetra v subklavijsko veno, itd.).
4.4. FIbroza
Cistična fibroza je najpogostejša, večkrat usodna, avtosomska recesivna genetska bolezen, ki
prizadeva eksokrine žleze, ki izločajo sluz zlasti v dihalnih poteh, pljučih, trebušni slinavki (pankreasu)
in črevesju. Prizadete so tudi žleze znojnice. Sodi med redke bolezni.
V pljučih sta posledici te motnje relativno pomanjkanje vode v sluznici dihalnih poti in manjša
učinkovitost odstranjevanja sluzi z migetalkami sluznice, kar ustvarja ugodne razmere za zgodnje
pljučne okužbe in razvoj kronične okužbe.
Zdravljenje je usmerjeno v energično preprečevanje pljučnih okvar in podhranjenosti ter ohranjanje
primerne kakovosti življenja. Na izid zdravljenja pljučnih obolenj pri cistični fibrozi ugodno vpliva
zgodnje uvajanje čiščenja dihalnih poti, t. i. respiratorne fizioterapije. Poznamo več različnih tehnik
respiratorne fizioterapije: tehnike za čiščenje perifernih dihalnih poti (položajna drenaža, perkusija ali
pretrkavanje, vibracijska masaža prsnega koša) in tehnike za čiščenje centralnih dihalnih poti (kašelj,
huffing, uporaba PEP-a s pripomočki (Flutter, Acapella, Threshold)). Starši otrok s cistično fibrozo in
kasneje sami bolniki se naučijo fizioterapevtskih metod, ki jih redno izvajajo večkrat dnevno na domu.
S tem načinom se olajša izkašljevanje goste sluzi, ki se nabira v pljučih. Pred tem morajo bolniki preko
ustreznega inhalatorja inhalirati razna zdravila, ki zmanjša viskoznost sluzi in izboljša čiščenje dihalnih
8
poti. Okužba pljuč se lahko pri cistični fibrozi pojavi že zelo zgodaj, zato je že pri majhnih otrocih
potrebno antibiotično zdravljenje. Ko pljučna bolezen pri cistični fibrozi napreduje in se razvije
kronična okužba, je potrebno ob njenem poslabšanju pogosto zdravljenje z intravenskimi antibiotiki.
V nekaterih centrih v tujini ustrezno usposobljeni starši in bolniki izvajajo intravensko antibiotično
zdravljenje pogosto na domu. Epizode poslabšanja običajno spremljajo upad pljučne funkcije vse
dokler ne pride do dihalne odpovedi. Presaditev pljuč je zaenkrat edina možnost, ki omogoča
preživetje bolnikov. Zato je toliko pomembnejše, da starši otroku s cistično fibrozo redno izvajajo
čiščenje dihalnih poti, ki pogosto zajema tudi programe telesnih dejavnosti. Dejstvo je, da redna
respiratorna vadba, skupaj s fizičnim treningom, lahko pomembno vpliva na izboljšanje pljučne
funkcije otrok s cistično fibrozo, seveda ob pomoči in sodelovanju staršev.
4.5. KOPB (kronična obstruktivna pljučna bolezen)
Je kronično obolenje dihal. Za bolezen so značilni kratka
sapa, kroničen kašelj ter povečano nastajanje sluzi in
izpljunkov. Kajenje cigaret je daleč najpogostejši vzrok
obolevanja za KOPB. Med drugimi vzroki so še velika
izpostavljenost prahu in kemikalijam (prah, dražljivci,
dim), onesnažen zrak in dim, ki nastaja pri gorenju lesa.
Cigaretni dim škoduje vsem delom pljuč. Zaradi
sprememb v sami sluznici v velikih sapnicah nastaja veliko
sluzi, ki jo bolnik vsak dan izkašljuje. Govorimo o
kroničnem bronhitisu. Cigaretni dim poškoduje tudi male
dihalne poti, katerih premer je manj kot 3 mm. Zaradi
vpliva cigaretnega dima se le-te brazgotinijo in zožijo.
Poleg dihalnih poti pa so pri KOPB prizadeti tudi nežni
pljučni mešički, kjer sicer kisik prehaja iz vdihovanega
zraka v kri. Pljučni mešički propadajo, med njimi pa
nastajajo votlinice – govorimo o emfizemu. Prostori,
zapolnjeni z zrakom, so lahko tudi večji, pojavijo se
emfizemske bule. Opisane spremembe vodijo v
napredujočo zaporo dihal, ki pa žal ni odpravljiva. Spremembe na pljučih so trajne. Iz vnetih bronhijev
se izločajo določene molekule (snovi, ki sicer sodelujejo pri vnetju v pljučih), ki preko krvi preidejo v
telesna tkiva in sprožijo propadanje mišic. Bolnik hujša in postane nemočen.
Opustitev kajenja pri bolniku s KOPB je edini ukrep, ki prepreči hitro napredovanje upada pljučne
funkcije. Škoda, ki je že nastala na pljučih, pa je nepopravljiva. Z zdravili le lajšamo bolnikove težave.
4.6. Pljučnica
Pljučnica je akutno infekcijsko vnetje pljuč, ki ob sodobnih možnostih zdravljenja z antibiotiki ne bi
smela predstavljati problema in potekati z neugodno prognozo. Huda vnetja pljučnega tkiva
povzročijo zmanjšanje prehoda kisika v kri kar vodi v pomodrelost (cianozo) ustnic in kože. Za
postavitev diagnoze pljučnice je poleg klinične slike in laboratorijskih izvidov najpomembnejša
rentgenska slika prsnih organov.
9
4.7. Azbestna bolezen
Azbestno vlakno, ki smo ga vdihnili, v pljučih ostaja in na mestu, kjer se nahaja, doživljensko sproža
žariščno vnetje in potencialno lahko povzroči vznik rakavega obolenja v pljučih in ali na popljučnici.
Najlažja oblika azbestne bolezni so žariščne brazgotine na poreberni mreni. Hujša oblika prizadetosti
reberne mrene so difuzne brazgotinske zadebelitve reberne mrene, v katerih nastajanju lahko
opazujemo tudi prehodni plevralni izliv. Brazgotinjenje v samih pljučih poimenujemo azbestoza, ki
lahko okvari pljučno funkcijo v tolikšni meri, da pljuča odpovejo v za organizem potrebni izmenjavi
plinov kisika in ogljikovega dioksida. Rakotvorno učinkovanje azbesta se kaže z pogostejšim
obolevanjem (v primerjavi z običajno populacijo neizpostavljenih azbestu) za rakom pljuč in rakom
rebernemrene
Brazgotinsko učinkovanje azbesta se povečuje z količino azbesta v pljučih, med tem ko rakotvorno
učinkovanje azbesta ne zavisi od kočinske obremenitve pljuč z azbestom in je lahko teoretično ob
obstoječi dispoziciji organizma nevarno že eno samo vdihano vlakno.
4.8. Pljučni rak
Pljučni rak je zločesta (maligna) bolezen celic sapnic (bronhijev). Zanjo je značilno hitra rast malignih
celic. Tako nastane tumor, ki maši sapnico in pritiska no okolico. Tumorske celice se širijo v okolico,
preraščajo normalna pljuča, s krvjo ter po mezgovnicah po se širijo tudi v oddaljene dele telesa.
Veliko teh celic odmre zaradi obrambe telesa, nekaj pa se jih zasidra v oddaljene organe. Tam rastejo
naprej: nastanejo novi tumorji, ki jih imenujemo zasevki (metastaze).
Nastajanje raka v pljučih je počasno in traja več let. Škodljivi vplivi iz okolja povzročijo poškodbe celic
sapnic. Najbolj so okvarjena celična jedra in kromosomi, ki uravnavajo celično rast in delitev.
Posledica poškodovanih kromosomov je neuravnovešeno, prehitra delitev spremenjenih, malignih
celic.
5. Pripomočki
5.1. Inhalator
Inhalator je medicinski pripomoček, ki se uporablja za dostavo zdravil v telo skozi pljuča. Večinoma
se uporablja pri zdravljenju astme ter kroničnih obstruktivnih pljučnih boleznih.
Obstaja več različnih vrst inhalatorjev:
Najbolj pogost je inhalator z določenim odmerkom zdravila
(olajševalec), ki je pod pritiskom. Inhalator z določenim
odmerkom zdravila je naprava, ki prenese točno določeno
količino zdravila v pljuča. To je tudi najpogosteje uporabljen
dozirni sistem za zdravljenje astme, kronične
obstruktivne pljučne bolezni (KOPB) in drugih
bolezni
dihal.
Inhalator z določenim odmerkom zdravila je
sestavljen iz treh glavnih sestavnih delov; posode,
10
kjer je vsebina formulacije, merilnim ventilom, ki omogoča merjenje količine formulacije, ki se sprosti
z vsakim aktiviranjem, ter ustnika, ki omogoča pacientu, da upravlja z napravo in usmerja aerosol v
svoja pljuča. Formulacija je sestavljena iz zdravila, utekočinjenega plina pogonskih goriv in v mnogih
primerih stabilizacijskih pomožnih snovi. Ustnik ima običajno tudi pokrovček, da se prepreči
kontaminacija.
Druga vrsta inhalatorja je inhalator v prahu. To je naprava, ki
prinaša zdravilo za pljuča v obliki suhega prahu. Zdravilo je
običajno v kapsuli, ki jo v inhalator vstavimo ročno ali pa je že
vgrajena v notranjosti inhalatorja. Ko je kapsula naložena ali
aktivirana, upravljavec postavi ustnik inhalatorja v svoja usta in
globoko vdihne, ter potem zadrži svoj dih za 5-10 sekund.
Odmerek, ki ga je mogoče doseči, je običajno manj kot nekaj
deset miligramov v enem vdihu, saj lahko večji odmerki v
prahu povzročijo draženje, kar se pozna kot kašelj.
Tretja oblika inhalatorja je razpršilo. To je naprava, ki dostavlja
zdravilo ljudem v odliki prša, ki ga vdihnejo v pljuča. Skupna
tehnična lastnost vseh razpršilcev je, da uporabljajo kisik, stisnjen zrak ali pa ultrazvočno moč, kot
sredstvo za razpad zdravila v majhne aerosolne kapljice, ki jih neposredno vdahnemo skozi ustnik
naprave.
5.2. Respirator
Je naprava za zaščito uporabnika pred škodljivimi inhalacijami prahu,
dima, hlapov in plinov. Poznamo različne vrste in velikosti
respiratorjev. Uporabljajo se v vojski, zasebni industriji in javnosti.
Obstajata dve glavni kategoriji respiratorjev: respirator, ki prečiščuje
onesnažen zrak preko filtrirnega sistema, ter respirator s svojim
dotokom čistega zraka.
5.3. Ventilator
Namen ventilatorja je ustvariti umetno ventilacijo ter jo čim bolje približati posnemanju naravnega
človekovega dihanja. Navadno ventilatorje razdelimo na tlak negativnega pritiska, pri katerem zrak iz
pljuč izsesamo, ter tlak pozitivnega pritiska, kjer se zrak potisne v sapnik. Pri ventilaciji uporabljamo
še dodatne ukrepe, da zagotovimo prost prehod zraka v sapnik in se izognemo prehajanju zraka v
požiralnik in želodec. Običajno je to z vstavitvijo cevi v sapnik, ki zagotavlja čisto pot za zrak.
Poznamo več vrst ventilatorjev. Ročni ventilatorji, ki se večinoma uporabljajo na samem kraju nesreč,
kjer ni dostopa do elektrike. Mehanski ventilatorji, ki pa so bolj robustni in se večinoma uporabljajo v
bolnicah, kjer je dostop do elektrike, saj jo rabijo za svoje delovanje.
Mehanski ventilatorji pa so tudi prenosni in se napajajo s pomočjo baterije.
11
5.4. Kisik
Za zdravljenje s kisikom so na razpolago trije viri kisika:
•
jeklenke s stisnjenim plinom pod visokim tlakom
•
tlačne posode z utekočinjenim plinom in
•
koncentratorji kisika
6. Kaj nam prinaša prihodnost
6.1. Transplantacija pljuč
Transplantacija (presaditev) pljuč je kirurški postopek, pri katerem pacientova obolela pljuča v celoti
ali delno zamanjamo s pljuči darovalca. Kandidati za presaditev so bolniki, pri katerih je običajno
zdravljenje neuspešno in pri katerih ocenijo, da bodo brez presaditve živeli le še leto dni. Od osnovne
bolezni je odvisno za kakšno vrsto transplantacije se bodo zravniki odločili – presaditev enega
pljučnega krila (ki je tudi najpreprostejša, zato tudi najpogosteje uporabljena), obojestranska
presaditev pljuč ali presaditev srca in pljuč hkrati. Bolniku pa lahko presadijo tudi samo pljučni reženj,
ki ga lahko daruje tudi živi darovalec, vendar so take presaditve zaradi večjega tveganje za zaplete, ki
jim je izpostavljen darovalec, redkejše. Najpogostejši vzroki za presaditev so kronična obstruktivna
pljučna bolezen, pljučna fibroza, cistična fibroza in bolezni pljučnega žilja. Leto dni po presaditvi
preživi od 85 do 90 odsotkov bolnikov, pet let po presaditvi pa okoli 60 % bolnikov.
Za presaditev primernih pljuč umrlih darovalcev je malo, manj kot drugih organov, ki jih presajajo.
Presaditev pljuč je najzahtevnejša med vsemi presaditvami, saj so pljuča edini organ, ki je prek
dihanja izpostavljen vplivom zunanjega okolja. Bolniki potrebujejo po presaditvi doživljenjsko
zdravljenje z imunosupresivnimi zdravili, ki preprečujejo, da bi organizem zavrnil presajeni organ.
Ker pljuč za presaditev, kakor tudi drugih organov, kronično
primankuje, le okoli 25 odstokov pacientov, ki so na čakalni
12
listi, prejme nova pljuča. Poleg tega so pljuča ekstremno občutljiv organ, saj se hitro poškodujejo,
kadar utrpijo izgubo kisika. Po odvzemu se organe tradicionalno ohladi, da se upočasni celični
metabolizem in da se jih ohrani, vendar tudi ta način predstavlja veliko tveganje za poškodbe organa,
ki jih povzročijo vnetja in edemi. Tako kar 4 od 5 darovanih pljuč ni primernih za presaditev zaradi
poškodb, ki so nastale ob oziroma po smrti darovalcev ali ob transportu oziroma skladiščenju le-teh.
Nova tehnika, ki je bila leta 2009 razvita s strani razikovalcev splošne bolnišnice v Torontu, bi lahko
občutno povečala število donorskih pljuč primernih za operacijo. Sistem Toronto XVIVO Lung
Perfusion System omogoča zdravnikom, da pljuča ohranjajo pri življenju izven telesa. Tako lahko
ocenijo stanje pljuč, postavijo diagnozo ter »popravijo« pjuča pred presaditvijo. Organ vzdržujejo v
stekleni kupoli pri temperaturi 37 °C, v kateri pljuča počasi dihajo in na katero so priključeni filtri ter
ventilator in črpalka, ki dovajata kisik, hranila in proteine v pljuča. V napravi lahko pljuča ohranjajo pri
življenju do 12 ur medtem, ko kirurgi ocenjujejo poškodbe pljuč ter jih popravijo. Opravili so že nekaj
presaditev pljuč zdravljenih s to metodo, v okviru kliničnega poskusa, in rezultati so zelo uspešni
vendar pravi pokazatelj bo kvaliteta življenja pacientov s presajenimi pljuči.
Poleg tega so v bolnišnici v Torontu dotični sistem uporabili tudi za zdravljenje pljuč z gensko terapijo.
V bronhije so vnesli nedajaven virus, ki je vseboval gen protivnetne molekule. Proizvodnja
interlevkina-10 (IL-10) je zatrla vnetje in izboljšala dihalno funkcijo pljuč. IL-10 je protivnetni citokin,
ki ga najdemo v človeških celicah in preprečuje imunski odziv na okužbo ali tujek v telesu, kot je
presajeni organ. Ta tehnika bi lahko podvojila število presaditev, kljub temu pa je treba še preveriti,
ali opisana tehnika ne povzroči kakšnih težav po presaditvi.
Prav zaradi velikega pomanjkanja organov za presaditev, so se v zadnjih letih povečale raziskave na
področju ksenontransplantacije. Gre za presaditev celic, tkiv in organov med različnimi vrstami v tem
primeru z živali na človeka. Področje sevada ni novo, saj so že v 17.st poskušali s transfuzijo živalske
krvi na človeku. V prejšnem stoletju so izvedli kar nekaj ksenotransplantacij. Prva presaditev
živalskega organa v človeško telo, čeprav neuspešna, je bila izvedena že leta 1906, v zadnjih letih pa
je bilo izvedenih nekaj opreacij, predvsem presaditev prašičjih jeter, ki so služila kot vmesna rešitev
medtem, ko je pacient čakal na organ človeškega darovalca.
Seveda je pri taki transplantaciji prisotnih kar nekaj ovir. Prva je t.i. hiperakutna zavrnitev presajenih
organov, ki nastopi v minutah oziroma v najboljšem primuru, v nekaj urah po presadatvi organa ter
vodi v trombozo in nekrozo organa in posledično smrt pacienta. Genski inženiring je omogočil
raziskovalcem, da delno premagajo to oviro, ki je še pred destimi leti veljala za nepremostljivo.
Nasljedna ovira pa je akutna vaskularna zavrnitev, ki nastopi v roku dveh do treh dni, če je bila
hiperakutna zavrnitev ustavljena in ta proces je veliko bolj kompleksnejši in še ne v celoti pojasnen.
Poleg tega je problem tudi v drugačni fiziologiji živalskih in človeških organov (velikost, življenska
doba, okolje, hormonska in proteinska raznolikost...) in obsežne raziskave so potrebne, da se določi
ali lahko živalski organi nadomestijo fiziološko funkcijo človeških. Določeno skrb predstavljajo tudi
okužbe z živalskimi virusi in s tem prenos bolezni. Posebno nevarni so retrovirusi, ki jih najdemo tudi
v človeku in za samega gostitelja ne predstavljajo nevarnosti. Toda nekateri znanstveniki so
zaskrbljeni, da lahko prašičji retrovirusi povzročijo bolezni pri ljudeh. Vendar obstajajo družine
prašičev katerih retrovirusi ne škodujejo človeškim celicam in ravno z genskim inženiringom lahko
vzrejamo prašiče, ki vsebujejo viruse neškodljive človeku in uspehi na tem področju so bili že
doseženi.
Pri poskusih v katerih so v pavijane, ki so služili kot človečki model presadili prašičja pljuča, se
metode, ki so pri drugih organih uspešno ustavile hiperakutno zavrnitev, v tem primeru niso izkazale
za najbolj uspešne. Eden od vzrokov je, da so pljuča bolj občutljiva in da je njihova obramba proti
poškodbam slabša kot v drugih organih. Zeankrat tudi še ne vemo, kako zanesljivo obvarovati prašičja
pljuča pred akutnimi poškodbami ko so le-te izpostavljena človeški krvi. Klub temu raziskovanja na
tem področju potekajo in lahko si nadejemo kliničnih poskusov na ljudeh v ne tako oddaljeni
prihodnosti.
13
6.2. Umetna pljuča
Cilj k razvoju umetnih pljuč je na dobri poti. Mehanska pljuča, ki so bila razvita z namenom, da
nadomestijo funkcijo pljuč med operacijo srca so že dolgo
prisotna. Nemško podjetje Novalung® pa je leta 2005
razvilo zelo pomanjšano napravo, ki nadomesti funkcijo
pljuč; Novalung® iLA Membrane Ventilator.
Naprava je pravi mali čudež sodobne tehnologije. Navzven
je podobna nekoliko debelejši škatlici za zgoščenke. V enem
izmed vogalov ima dva priključka za plin. V drugem vogalu
ima dve cevčici za dovod in odvod krvi. Prava skrivnost pa
je skrita v njeni notranjosti. Škatlica je natlačena s
posebnimi opnami, med katerimi se pretaka kri. Opne so
tako tanke, da kri lahko oddaja in sprejema pline. Hkrati pa
so tako nežne, da ne škodujejo rdečim krvničkam. Ob tem
so prepojene s snovmi, ki preprečujejo strjevanje krvi. Slika
14:
Škatlica se z dvema cevkama priključi na krvotok. Dovolj je
navadno zbadanje žil. Potreben ni prav noben kirurški
poseg. Ko so priključeni še plini, naprava krvi odvzema ogljikov dioksid in ji dodaja kisik. Človek diha
brez pljuč, in kar je še bolj pomembno - brez dodatnega pogona. Naprava sama zase ne troši energije.
Revolucionarnost naprave se skriva v opnah. Ne samo da omogočajo izmenjavo plinov in ne
povzročajo nastajanja krvnih strdkov, temveč se vedejo tako, da praktično ne povzročajo upora
pretoku krvi. Naprava deluje s pomočjo energije bolnikovega lastnega srčnega utripa. Naprava je bila
uspešno uporabljena že pri mnogih pacientih, ki so čakali na transplantacijo pljuč in je služila kot
vmesna stopnja. Uporablja se tudi kot naprava za napredno ventilacijo.
Ameriški raziskovalci z univerzitertne klinike na Michiganski univerzi pa so razvili umetna pljuča, ki
bodo našla svoj prostor v pacientovem prsnem košu. Na poskusih z ovcami je kot pivska pločevinka
velika naprava popolnoma prevzela funkcijo dihalnega organa. Z organom iz plastike bodo bolniki, ki
jim utegnejo lastna pljuča odpovedati, premostili čakalni čas do vsaditve darovanih pljuč za največ tri
do šest mesecev. Biolung, kakor se imenuje naprava, naj bi najprej za daljši čas podpirala delovanje
bolnih pljuč ali pa jih celo popolnoma in za stalno nadomestila. Prva testiranja vzdržljivosti aparata so
bila uspešna.
Z umetnimi krvnimi žilami priključijo napravo na pljučno arterijo,
s čimer bolnikovo srce med t.i. pljučnim obtokom črpa v pljuča kri,
osiromašeno s kisikom. Kritično izmenjavo plinov opravi v pljučni
dozi deset tisoče drobnih votlih vlaken. Kri, ki jo črpalka potisne
skozi vlakna, odda skozi mikropore ogljikov dioksid in se obogati s
svežim kisikom. S tem plinom obogatena kri teče potem nazaj v
pljučno arterijo in pride od tam v delno še delujoča pljuča ali pa
teče po umetnem obvodu v levi srčni preddvor, od koder jo
črpalka potisne po telesu.
Slika 15: Biolung
6.3. Tkivni inženiring in regenerativna medicina
14
Tkivni inženiring in regerativna medicina sta testno povezani področji, čeprav regerativna medicina
daje večji poudarek uporabi izvornih celic za proizvodnjo tkiv medtem, ko je tkivni inženiring
kombinacija uporabe celic, inženiringa in materialnih metod ter ustreznih biokemijskih in fizikalnokemijskih faktorjev z namenom izboljšati oziroma zamnejati biloške funkcije. Medtem ko tkivni
inženiring pokriva širok spekter uporabe je v praksi termin tesno povezan z metodami, ki popravijo ali
zamenajo del ali celotno tkivo (npr. kosti, hrustanec, koža, krve žile itd...).
Predhodne študije na živalskih modelih so pokazale, da ima transplantacija matičnih celic iz človeške
popkovnične krvi pozitivne terapevtske efekte na specifične nepravilnosti pljuč. Človeške matične
celice iz popkovnične krvi (mezenhimske matične celice) so bile uspešno izolirane, kultivirane in
diferencirane v različne celične tipe: osteoblaste (kostne celice), hondrocite (hrustančne celice),
adipocite (maščobne celice), stromalne celice, skeletne celice, endotelijske celice, nevralne (živčne)
celice in celo v specifične celice pljuč v in vitro (laboratorijski) pogojih. Humane matične celice iz
popkovnične krvi so vbrizgali v novorojeno laboratorijsko miš s poškodbo pljuč, ki ne absorbirajo
dovolj kisika. Odkrili so, da matične celice zaščitijo pljuča pred poškodbami zaradi hiperoksije
(preobilje kisika v tkivih in organih). To odkritje bi lahko imelo pomemben terapevtski potencial za
zdravljenje trenutno neozdravljive neonatalne pljučne bolezni zaradi hiperoksije ali za zdravljenje
kronične bolezni pljuč z okvaro alveolarnega epitelja pri nedonošenčkih.
Poškodovana pljuča proizvajajo topne faktorje in tako k sebi pritegnejo matične celice, ki nato
pozdravijo pljuča. Znanstveniki so ugotovili, da matične celice transplantirane v sapnik močno
zmanjšajo poškodbo pljuč zaradi hiperoksije.
Pravi podvig je leta 2008 uspel skupini raziskovalcev iz Velike Britanije, Italje in Španije, ko so
pacientki, 30-letni ženski, zamenjali poškodovan levi bronhij, kar je bila posledica tuberkuloze, z
delom darovanega sapnika. Za izdelavo dihalne poti so zdravniki uporabili sapnik darovalca, ki je
pred kratkim umrl. Nato so uporabili močne kemikalije in encime, da so izprali vse darovalčeve celice
in pustili le tkivno ogrodje, ki je sestavljeno iz kolagena. Tako so dobili strukturo, ki so jo vnovič
naselili s celicami pacientke, ki so jih pozneje lahko uporabili v operaciji za obnovitev poškodovanih
bronhijev (del sapnika). S tem, ko so znanstveniki uporabili celice bolnika, so na neki način prelisičili
telo, saj je le-to darovani organ dojelo kot del lastnega telesa in ga ni zavrnilo. Odvzeli so dve vrsti
celic: celice, ki so obkrožale njen sapnik, in odrasle izvorne celice – zelo nezrele celice iz kostnega
mozga, ki bi lahko spodbudile rast celic, ki normalno obkrožajo sapnik. Po štirih dneh vzgajanja celic v
posebnem bioreaktorju je bil na novo obložen sapnik pripravljen na presaditev v telo. Že po nekaj
dneh se je pokazalo, da telo ne zavrača vsajenega sapnika in da je prekrvavitev organa brezhibna. V
prvem mesecu po presaditvi se je tudi pokazalo, da telo na noben način ne zavrača organa.
Znanstveniki verjamejo, da bi bil lahko že čez dvajset let vsak organ, namenjen presaditvi, narejen na
opisani način.
Ustvarjanje 3-D struktur v pljučih je kompleksnejši proces, zato je napredovanje na tem področju
počasnejše. Vzrok leži v kompleksnosti tkiva v pljučih ter v raznolikosti celic v respiratornem traktu,
saj jih je čez 40 različnih tipov. Kljub temu je bilo izvedenih že nekaj poskusov na živalih, predvsem na
izdeli alveolnih struktur v katerih je bila gobi podobna snov uporabljena kot podloga za rast izvornih
celic. Rezultati so dokaj spodbudni in strategije tkivnega inženiringa kažejo velike možnosti pri
regeneraciji pljuč.
7. Zaključek
Tekom seminarja so bile predstavljene same bolezni pljuč, pripomočki za zdravljenje le teh in pa
alternativa. Alternativne metode transplantacije, uporabe umetnih pljuč in pa tkivnega inženiringa
bodo bistveno izboljšale kakovost bolnikovega življenja in pa podaljšale le-tega. Alternative
zdravljenja pljučnih bolnikov so tako zelo napredne in hkrati zahtevne, vendar pa je zdravljenje zelo
15
učinkovito tako pri hujših boleznih (KOPB, fibroza in bolezni pljučnega žilja) kot pri samih alergijskih
reakcijah in z njimi povezanimi bolezni.
Pomembno je dejstvo, da dihamo avtomatsko in da je proces dihanja eden najpomembnejših v
našem telesu, saj preskrbuje naše celice s kisom, brez katerega bi sicer bile mrtve.
Vdihniti in imeti moč za izdih,
pomeni zavedati se da smo živi.
Vdihniti čist zrak naj ne postane preteklost.
8. Viri in literatura
Biologija človeka, učbenik za gimnazije, Peter Stušek, DZS, 2005
Biologija človeka (Anatomija, fiziologija, zdravje), Avtorji: E.Périlleux, B.Anselme, D.Richard, DZS, 1999
http://www.klinika-golnik.si/dejavnost-bolnisnice/klinicna-dejavnost/pulmoloska-dejavnost/
http://sl.wikipedia.org/wiki/Cisti%C4%8Dna_fibroza#Bolezni_plju.C4.8D_.2F_dihal
http://en.wikipedia.org/wiki/Tissue_engineering
http://www.biohramba.si/index.php?cntnt01articleid=20&cntnt01lang=si_SI&cntnt01returnid=56&
mact=News,cntnt01,detail,0
http://www.medpagetoday.com/Pulmonology/Tuberculosis/11830
http://arstechnica.com/old/content/2008/11/grow-your-own-tissue-engineering-comes-of-age.ars
http://pats.atsjournals.org/cgi/content/full/5/6/723
http://medgadget.com/archives/2007/02/novalung_ila_me.htmlhttp://www.ctsnet.org/portals/thor
acic/newtechnology/article9.htmlhttp://novice7.com/link.php?title=Tudi_presaditev_pljuc_je_zaupa
nja_vredna_metoda_zdravljenja
http://www.webmd.com/lung/features/artificial-lung-closer-to-clinical-trial
http://bam.vecer.com/portali/7dni/v1/default.asp?id=5416755&kaj=2
http://en.wikipedia.org/wiki/Lung_transplantation
http://en.wikipedia.org/wiki/Xenotransplantation
http://web.archive.org/web/20071210031618/http://www.fda.gov/fdac/features/596_xeno.html
http://www.avma.org/onlnews/javma/apr02/s041502c.asp
http://www.technologyreview.com/biomedicine/22510/page1/
http://www.nd.edu/~nsl/Lectures/mphysics/Medical%20Physics/Part%20I.%20Physics%20of%20the
%20Body/Chapter%203.%20Pressure%20System%20of%20the%20Body/3.1%20Physics%20of%20bre
athing/Physics%20of%20breathing.pdf
http://mcb.berkeley.edu/courses/mcb136/topic/Respiration/SlideSet2/Resp2.pdf
16
17