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15分钟冷却全身血液:心跳骤停时,这种方法能挽救生命?

2017/10/20 来源:环球科学ScientificAmerican
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导读
心脏停止跳动后,如果5分钟内无法复苏,便会对大脑造成不可逆的损伤。而有这么一种前沿技术,设法将肺部作为热交换器来冷却血液,这或许可以为我们抢救心脏病突发者争取更多的时间。


本文转载自“环球科学ScientificAmerican”。

撰文 | Michael Brooks

翻译 | 唐静宏

审校 | 吴非、王妍琳

低温延缓损伤

心脏停止跳动后,如果5分钟内无法复苏,便会对大脑造成不可逆的损伤。这里介绍的一项技术,或许可以为心脏骤停的患者延续生命。而该手段所用到的原理,则是另一个臭名昭著的人体杀手:低温症。

这听上去或许很矛盾,但却可以归结为简单的化学原理。我们每个人都是一个有机体,但从更基础的层面来看,我们也是一个个化学体。化学物质掌控着我们的细胞、感觉、消化甚至思维能力。

在人体内,化学反应的速率随温度的下降而减缓,因此温度过低对身体会产生坏处。失去太多的热量,你可能会陷入低温症。而如果将足够多的热量移除,机体的各类反应最终将完全停止,生物学家将这种停止状态称为死亡。

低温可以导致死亡,但有些时候,尤其当死亡已迫在眉睫,它却或许能为人类带来一线生机。法国阿尔夫尔国立兽医学校的Renaud Tissier说:“低温症也可以有重要用途。”

Tissier与合作者制造了一种仪器,这种仪器可以在几分钟内使机体温度迅速下降。其使用方法如下:深呼吸,做好窒息的准备,随后冷冻液会泵入你的肺里。

对于低温在医疗中的作用,人类在两千多年前就有所了解。古希腊的医学之父希波拉克底就是这一观点的推崇者,他提出将受伤的士兵迅速埋在雪里,有助于士兵的恢复。上世纪的研究也表明,低温尤其有助于减轻头部受损的患者的伤害。不过,如果能有效实现低温状态却是一个难题。在身体上铺放冰袋或冰胶垫,能够在三小时内延缓心脏病的进程或伤口发展,但这个过程显然太过漫长了。

就心脏病而言,如果人们在购物途中或是球场上突发心脏病,便会陷入极其危险的状态。“3-5分钟内,你的大脑便会遭受永久且不可逆的损伤。”英国西英格兰大学的Jonathan Benger说道。

随着心脏的停搏,血液将无法被泵往身体各部。Benger 解释道:“我们的大脑需要有充足氧气和葡萄糖供应才能正常工作,而一旦供应被切断,神经元就会迅速死亡。”在无氧状态下,我们的机体会进行厌氧代谢,这会导致一系列对身体有害的生物化学反应。细胞的能量来源线粒体,则会因缺氧而逐渐坏死。随后脑细胞中的DNA会受到损伤。这意味着即使能够存活下来,细胞增殖仍会出现紊乱。心跳终止的时间越长,其所造成的损伤就越大。

伴随这一系列生理现象的,是一组骇人的心脏病发病数据:出现心脏骤停的患者中,仅有15%能幸存下来。这些存活案例得益于及时的医疗干预,但在现实中,干预往往来得太晚了。具体的幸存率取决于患者的居住地等因素,但在英国,在送医的心脏骤停患者中,只有9%能幸存下来。即使是这些幸存者,其中半数都伴随永久性认知损伤。

保持正常稳定的体温有助于机体各类新陈代谢的进行,而当我们的体温下降1°C,大脑的代谢速率降低6%~10%,有害的生物化学反应速率也随之下降。因此,体温下降3至4°C,能为患者争取大量的时间。

泵入肺部的液体

2005年,Tissier在南阿拉巴马大学接受心脏病治疗的培训时,开始考虑降低人体体温的可行性。医学工程师James Downey和James Parker当时正在研究如何将液体呼吸治疗用于缓解早产儿呼吸障碍。成人的肺泡表面有一层表面活性物质,而一些早产儿则不具有这类物质,因而他们的肺叶会粘在一起。Parker和Downey试图探究一类名为全氟碳(PFC)的液体能否对此有所帮助。

从上世纪60年代起,已有研究表明PFC能携带溶解氧,而且这些氧气能被肺部吸收。但难题在于,如何实现液体在肺中的进出。在一次呼吸作用中,含氧液体需要被泵入肺里,而富含二氧化碳的液体则被泵出。但如果压力值出现错误,可能导致气管破裂甚至肺部爆裂,或者液体根本无法填满肺部。Tissier认为,若想使用PFC进行治疗,首先需要非常准确地测定肺部压力和填充压力,从而计算出理想流量。


准确地测定压力对于治疗至关重要,否则肺部可能会破裂。

Tissier注意到,在帕克和唐尼的研究设置中,必须加热全氟碳来避免体温的下降。这启发他考虑利用肺来作为热交换器。人类的肺部具有巨大的表面积,所以用低温液体来填充肺部,可以成为一种由内而外冷冻机体的有效方法。

Parker和Downey发明了一种将液体注入肺里的泵,他们安装了加热控制装置和压力测量仪来精确地监测液体的温度和流量。准备就绪后,他们在兔子身上开始了试验。

“我们发现在两分钟内,兔子的心脏和大脑就被冷却了。”Tissier说。后续试验表明,利用PFC来进行液体呼吸能够实现机体的快速降温,这可以延缓兔子心脏病发作的进程,从而减少由此导致的神经损伤。

向人体试验进发

结束培训后,Tissier回到了法国。他很快意识到,如果要在将来尝试进行人体试验,他需要更加精致、可控性更强的新设备。他与来自加拿大舍布鲁克大学的研究人员合作进行仪器的开发,这个团队同样也对应用液体呼吸帮助早产儿缓解肺粘连的研究很感兴趣。

在过去的几年中,他们一直在对泵的各项参数进行调整,使其能够校正细微的压力波动。去年,Tissier和他的研究团队在六只羊羔身上测试了新设备,在精准的压力条件下,他们将12°C的PFC泵入肺部。在7分钟内,羊羔的股动脉温度就从正常的39°C下降到33°C,在这个温度下,有害的生化反应速率明显减慢。他们还进行了另一项试验:麻醉兔子后诱导其心脏病发作,一组使用液体呼吸法进行降温,一组不做处理。试验结果显示,相较于对照组,经过处理的兔子在五天后出现大脑功能紊乱的概率要低得多。

舍布鲁克大学的研究人员惊讶于该设备的表现。Tissier对于这台机器在治疗心脏病上的巨大潜能激动不已,他表示:“这项技术需要麻醉和插管才能对患者进行治疗,但试验已经证明,我们能够在15~20分钟内对一个成年人进行降温处理,相比那种需要一两个小时的传统方法优势巨大。”

研究团队表示,这项技术已经为人体中的应用做好了准备,下一步将是进行临床试验。但距离液体呼吸机在世界范围内的普及,还有很长的路要走。Benger认为,在心脏病突发的紧要关头,这种方法可行性有限,因为设备的安置需要时间。相比之下,他更愿意看到公共卫生教育上的投入。“最理想的情况是训练每个人掌握心脏复苏的操作,知道叫一辆救护车,为病人安装心脏除颤器,”他说,“这可比复杂的冷却技术成本要低得多,还会挽救更多的生命。”

但Tissier相信,降低化学反应速率会对令现代医疗头疼不已心脏停搏问题产生帮助。此外,它还将在枪伤和刀伤的治疗中发挥更大的效力。他指出,以现在的技术,两小时内将一个成年人降温至33°C还无法实现,这使得15分钟降温的技术凸显出巨大的优势。Tissier期待着,这项技术可以开创一个令人惊叹的未来。

原文链接:

https://www.newscientist.com/article/mg23531380-600-cold-comfort-how-chilling-the-lungs-could-beat-heart-attacks/

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