Jak to działa? Trochę chemii i fizyki

Medycyna hiperbaryczna (hiperbaria) to dziedzina zajmująca się wpływem ciśnienia wyższego niż atmosferyczne na organizm oraz wykorzystaniem korzystnych efektów podwyższonego ciśnienia dla celów leczniczych. Powietrze atmosferyczne to mieszanka składająca się w około 21% z tlenu, 78% azotu i 1% innych gazów. W tlenoterapii hiperbarycznej gazem najczęściej stosowanym w celach leczniczych jest 100% tlen lub przynajmniej mieszanka o zawartości tlenu zbliżającej się do 100%. Dlatego terapia ta nosi miano hiperbarycznej terapii tlenowej (hyperbaric oxygen therapy – HBOT). Tlen poprzez uczestnictwo w wielu reakcjach chemicznych w organizmie człowieka jest podstawą procesów fizjologicznych niezbędnych dla zachowania homeostazy, a więc równowagi organizmu. Szczególne znaczenie ma dla oddychania tkankowego, dzięki któremu komórki uzyskują niezbędną energię oraz dla reakcji utleniania różnych związków chemicznych. Tlen stanowi integralny element systemu uczestniczącego np. w metabolizowaniu leków, karcynogenów i innych substancji szkodliwych dla organizmu. Oddychanie czystym 100% tlenem lub mieszanką gazów, w której zawartość tlenu jest bliska 100%, już przy ciśnieniu atmosferycznym równym 1ATA (atmosfera absolutna) powoduje trzykrotny wzrost rozpuszczalności tlenu w osoczu w porównaniu z oddychaniem powietrzem atmosferycznym. Pod wpływem ciśnienia 1,5-3ATA rozpuszczalność tlenu w osoczu wzrasta aż 14-krotnie. W komorze hiperbarycznej podnosimy ciśnienie powyżej 1,5ATA. Tlen zaczyna być transportowany do naszych tkanek w ilościach niedostępnych dla organizmu w standardowych warunkach. Dzięki stosowaniu HBOT transport tlenu do tkanek jest możliwy również w przypadku znacznego niedoboru hemoglobiny,  a teoretycznie nawet przy jej całkowitym braku.

Podstawą opisanych wyżej procesów jest zwiększenie prężności tlenu w powietrzu pęcherzykowym – zgodnie z prawem Henry’ego [https://pl.wikipedia.org/wiki/William_Henry_(chemik)]

rośnie siła dyfuzji i rozpuszczalności tlenu w osoczu [https://pl.wikipedia.org/wiki/Prawo_Henry%E2%80%99ego]. Ponadto zgodnie z prawem Boyle’a-Mariotte’a [https://pl.wikipedia.org/wiki/Prawo_Boyle%E2%80%99a-Mariotte%E2%80%99a] pod wpływem zwiększonego ciśnienia zmniejsza się objętość gazowego materiału zatorowego, co w przypadku stosowania HBOT prowadzi w konsekwencji do znaczącego zmniejszenia obszarów niedokrwienia.

Rozważania teoretyczne na temat tlenoterapii hiperbarycznej HBOT należałoby rozpocząć od poznania definicji gazu doskonałego [https://pl.wikipedia.org/wiki/Gaz_doskona%C5%82y], ciśnienia gazu, a także poznania podstawowych praw opisujących zachowanie się gazów w określonych warunkach fizycznych, na które to prawa oprócz wyżej przytoczonych Henry’ego i Boyle’a-Mariotte’a składają się także prawa Gay-Lussaca, Charlesa, Daltona i Nernsta.

Podstawą jest jednak zapoznanie się fizykochemicznymi właściwościami tlenu. Tlen jest pierwiastkiem chemicznym o liczbie atomowej 8, zlokalizowanym w 16 (VIA) grupie układu okresowego (grupa tlenowców). Tlen posiada sześć elektronów walencyjnych i konfigurację s²p⁴. Tlen nie przyjmuje nigdy wartości wyższej od +2, a jego normalnym stopniem utlenienia jest -2. Tlen stojący na czele tlenowców, różni się od pozostałych pierwiastków tej grupy, przede wszystkim wyższą elektroujemnością i łatwością przyjmowania elektronów. Jest to spowodowane bliską odległością powłoki walencyjnej od jądra, a także obecnością dwóch niesparowanych elektronów.

Tlen zajmuje pierwsze miejsce w kolejności rozpowszechnienia, jego zawartość w warstwach kuli ziemskiej wynosi ok. 48% wag. tlenu związanego głównie w postaci krzemianów i dwutlenku krzemu. W stanie związanym występuje w: wodach morskich, piasku, skałach, większości minerałów, organizmach żywych.  Stanowi on ok. 89% wag. wód tworzących morza, oceany i inne zbiorniki wodne. Tlen jest składnikiem wszystkich organizmów żywych, gdyż wchodzi w skład białek i kwasów nukleinowych, także cukrów, lipidów itd. Za wyjątkiem niektórych mikroorganizmów większość organizmów żywych wykorzystuje tlen gazowy w swym metabolizmie, który polega na utlenianiu związków organicznych. Przenośnikami tlenu są w większości organizmów zwierzęcych związki żelaza (hemoglobina, mioglobina), a także rzadko związki miedzi (hemocyjanina) lub wanadu (hemowanadyna).  W organizmie człowieka znajduje się ok. 44 kg tlenu. W stanie wolnym występuje w atmosferze stanowiąc 20,9% obj. powietrza. Tlen w przyrodzie występuje w dwóch odmian alotropowych: zwykłego tlenu o cząsteczkach dwuatomowych O₂(ditlen) oraz ozonu o cząsteczkach trójatomowych O₃ (tritlen). Ozon powstaje w naturalny sposób w atmosferze pod wpływem promieniowania nadfioletowego słońca (reakcja fotochemiczna) oraz na skutek wyładowań elektrycznych (reakcja bioelektryczna). Stężenie ozonu w dolnych warstwach atmosfery jest bardzo małe, jednak znacznie wzrasta na wysokości pomiędzy 10 a 45 km.  Ozon pochłania część promieniowania nadfioletowego słońca, dzięki czemu chroni życie na Ziemi od szkodliwych skutków nadmiaru tego światła. W temp. pokojowej tlen jest bezbarwnym gazem, bez smaku i zapachu. Trudno rozpuszcza się w wodzie (0,03 obj. w 1 obj. wody w temp. 20^oC). Tlen jest pierwiastkiem bardzo aktywnym chemicznie, tworzy związki niemal ze wszystkimi pierwiastkami, a także z wieloma związkami organicznymi i nieorganicznymi. Spalanie różnych substancji polega na łączeniu się ich z tlenem, czemu towarzyszy wydzielenie znacznych ilości ciepła. Spalanie rozpoczyna się po ogrzaniu reagentów do temperatury zwanej temperaturą zapłonu.
Zwiększoną aktywność chemiczną w porównaniu ze zwykłym tlenem wykazuje ozon, który jest energicznym środkiem utleniającym. Ozon już w temp. pokojowej utlenia srebro, które pokrywa się czarnym nalotem tlenku, rtęć do HgO, czarny siarczek ołowiu PbS do białego siarczanu (VI) ołowiu (PbSO₄) oraz wydziela jod z roztworu jodku potasu  (KI). Pod działaniem ozonu intensywnie utlenia się kauczuk. Tlen w przyrodzie występuje w postaci trzech trwałych izotopów: ¹⁶O (99,762%), ¹⁷O (0,038%) i ¹⁸O (0,200%). Spośród sztucznych izotopów promieniotwórczych ważny jest ¹⁵O (T_1/2 = 123,95 s), a pozostałe ¹⁴O i ¹⁹O są bardzo krótkotrwałe.

Przemieszczanie cząsteczek gazów w tkankach jest uzależnione od różnicy ciśnień. W przypadku połączenia ze sobą dwóch naczyń, w których znajdują się gazy pod różnymi ciśnieniami, gaz ze zbiornika o wyższym ciśnieniu zacznie spontanicznie przepływać do zbiornika, w którym panuje niższe ciśnienie. Przepływ gazu będzie trwał do momentu wyrównania się ciśnień gazów w obu zbiornikach. Mieszanie się cząsteczek gazów prowadzące do wyrównania ciśnień w rozważanych zbiornikach odbywa się na zasadzie dyfuzji. Szybkość dyfuzji gazu w mieszaninie gazów jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z masy cząsteczkowej danego gazu, a wprost proporcjonalna do różnicy stężeń gazu pomiędzy rozpatrywanymi naczyniami.

Prawidłowe funkcjonowanie komórek wymaga ciągłego dopływu tlenu i substancji odżywczych oraz usuwania produktów przemiany materii. Tlen pobierany z powietrza jest wykorzystywany do produkcji energii w reakcjach utleniania związków zawartych w substancjach odżywczych. Transport tlenu do tkanek organizmu oraz usuwanie z nich dwutlenku węgla zachodzi w różnych obszarach znajdujących się wewnątrz organizmu (płuca, tkanki) i odbywa się zgodnie z gradientem ciśnień parcjalnych. Charakterystyczną cechą tego transportu jest to, że przemieszczanie się każdego ze składników mieszaniny gazów uwarunkowane jest jego własną różnicą ciśnień panującą w danym obszarze organizmu. Wymiana gazowa w płucach zachodzi na zasadzie dyfuzji gazów oddechowych pomiędzy pęcherzykami płucnymi, a krwią kapilarną. Wymiana gazowa zachodzi w kierunku od większego ciśnienia do mniejszego ciśnienia parcjalnego, zgodnie z gradientem ciśnień, który wyznacza jej kierunek. Niewielka różnica ciśnień pomiędzy atmosferą, a gazami znajdującymi się w pęcherzykach płucnych zapewnia odpowiedni przepływ powietrza konieczny do oddychania. Podczas oddychania powietrzem atmosferycznym w normalnych warunkach jedynie ok. 0,3% objętości tlenu zostaje fizycznie rozpuszczone w osoczu. Tlen niemal w całości jest transportowany przez hemoglobinę krwinek czerwonych, która po połączeniu z tlenem tworzy oksyhemoglobinę. W temperaturze 37˚C jeden litr krwi może transportować aż 200ml tlenu. Krew bez nośnika tlenu (hemoglobiny) musiałaby krążyć prawie 90 razy szybciej, aby zapewnić odpowiednie utlenowienie tkanek. Ponadto hemoglobina dzięki swoim właściwościom słabego wiązania się z tlenem przy jego niskim ciśnieniu parcjalnym oraz silnego wiązania przy wysokim ciśnieniu parcjalnym tlenu, przepływając przez kapilary płucne ulega prawie w 100% utlenowieniu, podczas gdy w tym samym czasie krew żylna oddaje nadmiar dwutlenku węgla. W tkankach na poziomie komórkowym, gdzie ciśnienie parcjalne tlenu jest mniejsze wskutek jego zużycia w różnych reakcjach chemicznych ma miejsce dysocjacja oksyhemoglobiny i oddawanie tlenu do tkanek. Jednocześnie powstający w tkankach dwutlenek węgla jest z nich usuwany.

Tlenoterapia Hiperbaryczna HBOT (Hyperbaric Oxygen Therapy) jest to metoda terapeutyczna polegająca na wykorzystaniu 100% tlenu lub mieszaniny gazów o zawartości bliskiej 100% tlenu, poprzez jego podanie w zwiększonym stężeniu w powietrzu wdychanym. Tlenowa terapia hiperbaryczna jest jedną z najbardziej efektywnych metod dostarczania tlenu do wszystkich komórek ciała. Wykorzystanie ciśnienia wyższego niż atmosferyczne pozbawia tlen fizjologicznych barier przenikania przez tkanki. Oznacza to, że tlen może przenikać tam, gdzie w normalnej sytuacji nie ma szans się przedostać –  czyli do obszarów źle ukrwionych, np. ran czy ognisk udarowych. Tlen wspomaga leczenie zakażeń i stanów zapalnych oraz zwiększa aktywność komórek macierzystych, które przemieszczają się do uszkodzonych tkanek, powodując ich regenerację. W komorze hiperbarycznej podnosimy ciśnienie powyżej 1,5ATA. Tlen zaczyna być transportowany do naszych tkanek w ilościach niedostępnych dla organizmu w standardowych warunkach.

Tlenoterapia hiperbaryczna HBOT w następujący sposób działa na organizm:

• dostarcza zwiększoną ilość tlenu do chorych i niedotlenionych tkanek oraz narządów,
• przyspiesza leczenie trudno gojących się ran,
• skraca czas rekonwalescencji po zabiegach chirurgicznych, stomatologicznych i z zakresu medycyny estetycznej (np. zabiegi laserowe czy mikrodermabrazja),
• działa stymulująco na fibroblasty, które odpowiedzialne są za syntezę m.in. kolagenu i elastyny, czyli włókien zapewniających elastyczność skórze,
• poprawia krążenie krwi, wspomaga pracę serca, przyspiesza rozwój nowych naczyń krwionośnych,
• wspiera organizm w walce z zakażeniami, działa bakteriobójczo i bakteriostatycznie,
• działa stymulująco na układ immunologiczny,
• spowalnia procesy starzenia,
• wpływa na funkcjonowanie układu nerwowego i mózgu, w tym wspomaga leczenie autyzmu i ADHD,
• zmniejsza obrzęki tkanek i utratę płynów,
• zdecydowanie zwiększa wydolność organizmu u sportowców,
• przyspiesza eliminację tlenku węgla,
• poprawia sprawność seksualną oraz sprzyja jej utrzymaniu,
• poprawia zdolność zapamiętywania i koncentracji,
• przyspiesza przemiany metaboliczne,
• zwiększa liczbę komórek macierzystych krążących w organizmie – komórki macierzyste znajdujące się w szpiku mają zdolność przemieszczania się do uszkodzonych komórek, powodując ich wyleczenie,
• wpływa na ograniczenie wzrostu i proliferację komórek nowotworowych

JAK WYGLĄDA ZABIEG W KOMORZE HIPERBARYCZNEJ? – PRZECZYTAJ TUTAJ

< POWRÓT