Zrozumienie toksyczności tlenowej – Patrząc wstecz

Wolne tłumaczenie artykułu z bloga WWW.GUE.COM autorstwa Reilly Fogarty
Jest on liderem zespołu ds. Inicjatyw ograniczania ryzyka w Divers Alert Network(DAN).
Jest nurkiem technicznym instruktorem nurkowania z rebreatherem w Gloucester, MA. 
Reilly jest licencjonowanym kapitanem USCG,
Zawodowo zajmuję sie rofesjonalne chirurgią ratunkową i medycynę ratunkową.

W tej pierwszej z dwuczęściowej serii Reilly Fogarty z Diver Alert Network przeanalizuje badania, które doprowadziły do naszego obecnego roboczego zrozumienia toksyczności tlenu. 

Przedstawia historię badań nad toksycznością tlenu, nasze obecne modele toksyczności, zewnętrzne czynniki ryzyka, które teraz rozumiemy, i jak będzie wyglądać przyszłość tych badań. 

Uważaj na swoje PO2!

Toksyczność tlenowa jest przedmiotem kontrowersyjnym wśród badaczy i zastraszającym dla wielu nurków. Od rozkwitu debat o „gazie voodoo” na początku lat 90. XX wieku po pobieżne wprowadzenie do ewolucji napadów wywołanych tlenem, które większość nurków otrzymuje podczas kursów nurkowania, objawy przedłużonej lub ciężkiej hiperoksji często mogą wydawać się tajemniczym źródłem niebezpieczeństwa.

Chociaż tlen może wyrządzić wielką szkodę, jego właściwe użycie może przedłużyć limity nurków i poprawić leczenie poszkodowanych nurków. Granice narażenia ludzi są burzliwe, często znacznie większe niż teoretyczne, ale czasami – i nieprzewidywalnie – znacznie mniejsze.

Dyskusje na temat toksyczności tlenu odnoszą się przede wszystkim do dwóch specyficznych objawów: wpływających na ośrodkowy układ nerwowy (OUN) i wpływających na układ płucny. Oba są skorelowane (przez różne modele) z ekspozycją na podwyższone ciśnienie parcjalne tlenu (PO 2 ). Toksyczność dla ośrodkowego układu nerwowego powoduje takie objawy, jak zawroty głowy, drżenie mięśni, uczucie nienormalności, halucynacje wzrokowe lub akustyczne oraz drgawki. Toksyczność płucna powoduje przede wszystkim podrażnienie dróg oddechowych i płuc oraz pogorszenie czynności płuc, co może prowadzić do uszkodzenia pęcherzyków płucnych i ostatecznie utraty funkcji.

Mnogość reakcji zachodzących w ludzkim ciele, w połączeniu z zewnętrznymi czynnikami ryzyka, różnicami fizjologicznymi i różnicami w stosowaniu, może znacznie zmienić rodzaj i ciężkość reakcji na hiperoksję. Połącz to z badaniami, które nie poczyniły znacznych postępów od 1986 r., Małą kadrą naukowców badających te efekty związane z nurkowaniem oraz jeszcze mniejszą grupą, która przeprowadza badania dostępne publicznie, i staraniami o lepsze zrozumienie toksyczności tlenu może stać się frustracją.

Zebranie praktycznego zrozumienia polega na rozpoznaniu, od czego rozpoczęły się badania, zrozumieniu toksyczności tlenu (i ryzyku modelowym) oraz rozważeniu czynników, które utrudniają modelowanie i zwiększają ryzyko. Ten artykuł jest pierwszym z dwuczęściowej serii. Obejmie historię badań nad toksycznością tlenu, nasze obecne modele, zewnętrzne czynniki ryzyka, które rozumiemy teraz, i jak będzie wyglądać przyszłość tych badań.

Wczesne badania

Po odkryciu tlenu przez Carla Scheele w 1772 roku naukowcy odkryli, że gaz jest niezbędny do pełnienia krytycznych funkcji fizjologicznych, ale w niektórych środowiskach może być śmiertelny. Pierwsze zarejestrowane badania na ten temat pochodzą z 1865 r., Kiedy francuski fizjolog Paul Bert zauważył, że „tlen przy pewnym podwyższeniu ciśnienia staje się groźny, często śmiertelny, dla całego życia zwierząt” (Shykoff, 2019). Zaledwie 34 lata później James Lorrain Smith pracował z Johnem Scottem Haldane w Belfaście, badając fizjologię układu oddechowego, kiedy zauważył, że tlen w „do 41 procentach atmosfery” był dobrze tolerowany przez myszy, ale przy dwukrotnie większej śmiertelności myszy pod ciśnieniem osiągnęła 50 procent, a przy trzykrotnej presji było to jednakowo śmiertelne (Hedley-White, 2008).

Zainteresowanie ekspozycją na tlen do tej pory miało głównie charakter medyczny. Badaczami byli fizjologowie i lekarze pracujący nad zrozumieniem mechaniki metabolizmu tlenu i leczenia różnych schorzeń. Druga Wojna Światowa i pojawienie się nowoczesnych rebreatherów tlenowych wprowadziły gaz na cel wojska, a siły alianckie i Osi badały wpływ tlenu na nurków. Chris Lambertsen opracował Lambertsen Amphibious Respiratory Unit (LARU), niezależny system rebreatherowy wykorzystujący tlen i absorbent CO 2 w celu rozszerzenia zdolności żołnierzy armii amerykańskiej, i osobiście przeżył cztery zarejestrowane napady wywołane tlenem.

Kenneth Donald, brytyjski lekarz, rozpoczął pracę w 1942 r. W celu zbadania przypadków utraty przytomności zgłoszonych przez nurków brytyjskiej Royal Navy za pomocą podobnych urządzeń. W około 2000 prób Donald eksperymentował z PO 2ekspozycje od 1,8 do 3,7 bara, zauważając, że niebezpieczeństwa związane z toksycznością tlenu były „znacznie większe niż wcześniej sądzono… co sprawia, że nurkowanie na czystym tlenie poniżej 25 stóp wody morskiej jest ryzykownym hazardem” (Shykoff, 2019). Chociaż oznaczało to początek badań, które przypominają to, o czym teraz mówimy, Donald zauważył również, że „różnorodność objawów nawet u tej samej osoby, a czasami ich całkowita nieobecność przed konwulsjami, stanowią poważne zagrożenie dla niezależny nurek tlenowy ”(Shykoff, 2019). Zwrócił uwagę nie tylko na toksyczną naturę tlenu, ale także na ogromną zmienność początku objawów, nawet u tego samego nurka z dnia na dzień.

Eksperymentalna jednostka nurkowa US Navy (NEDU), między innymi grupami w Stanach Zjednoczonych i innych krajach, pracowała nad poszerzeniem tego zrozumienia poprzez kilkadziesiąt lat badań. W badaniach tych obserwowano toksyczność dla OUN u: zanurzonych pacjentów z PO 2 poniżej 1,8 w latach 1947–1986; toksyczność płucna (zanurzona, z PO 2 1,3 do 1,6 bara i sucha od 1,6 do 2 barów) w latach 2000–2015; oraz skutki całego ciała wynikające z długich ekspozycji przy PO 2 1,3 od 2008 r. do tego roku.

Duke Center for Hyperbaric Medicine and Environmental Physiology, University of Pennsylvania i wiele innych grup przeprowadziło równoległe badania na podobne tematy, przy czym trend koncentruje się na zrozumieniu, w jaki sposób i dlaczego nurkowie doświadczają objawów toksyczności tlenu i jakie są bezpieczne granice tlenu narażenie są. Limity te znacznie się zmniejszyły w porównaniu z początkowymi propozycjami – Butler i Thalmann zaproponowali limit 240 minut na tlen na wysokości 8 stóp lub więcej i 80 minut na wysokości 30 stóp / 9 m, do współczesnej rekomendacji nie większej niż 45 minut przy PO 2 1,6 (PO 2 czystego tlenu przy 20 stóp / 6 m).

W latach 1935–1986 przeprowadzono dziesiątki badań dotyczących toksyczności tlenu w różnych aspektach, z narażeniami zarówno łagodnymi, jak i umiarkowanymi, w komorach zarówno mokrych, jak i suchych. Po 1986 r. Te oryginalne badania hiperbaryczne prawie się skończyły, a większość badań, z którymi musimy pracować, pochodzi sprzed 1986 r. W większości przypadków badania po tym czasie zostały ekstrapolowane z wcześniej zarejestrowanych danych i do niedawna ich brak finansowania i kierunków branżowych w połączeniu z ryzykiem i obawami logistycznymi utrudniły oryginalnym badaniom poszerzenie naszego zrozumienia toksyczności tlenu.

Modele pierwotnej toksyczności

Pozostały nam trzy podstawowe modele do przewidywania skutków zarówno toksyczności tlenowej w OUN, jak i w płucach. Dwa modele pochodzą z artykułów opublikowanych przez naukowców pracujących w Naval Medical Research Institute w Bethesda w stanie Maryland w 1995 r. (Harabin i in., 1993, 1995), a jeden w 2003 r. W Israel Naval Medical Institute w Hajfie (Arieli, 2003 ). W pracach Harabin zaproponowano dwa modele, z których jeden dopasowuje ryzyko toksyczności tlenu do modelu wykładniczego, który łączy ryzyko rozwoju objawów z ciśnieniem cząstkowym, czasem ekspozycji i głębokością (Harabin i in., 1993). Drugi wykorzystuje model autokatalityczny do wykonania podobnego oszacowania ryzyka na modelu, który obejmuje okresowe spadki ekspozycji (czas spędzany przy niższym PO 2). Model Arieli koncentruje się na wielu tych samych zmiennych, ale próbuje dodać efekty tempa metabolizmu i CO 2 do prognozy ryzyka. Każdy z tych trzech modeli wydaje się dobrze pasować do surowych danych, ale zawodzi w porównaniu z zestawami danych, w których kontrolowano czynniki zewnętrzne.


Porównanie przewidywanych i zarejestrowanych incydentów związanych z toksycznością tlenu według proponowanego modelu (Shykoff, 2019).

Punktem kulminacyjnym całej tej pracy i modelowania jest rozsądne zrozumienie kilku rzeczy. Po pierwsze, toksyczność dla OUN występuje rzadko przy niskim PO 2 , więc modelowanie jest trudne, ale ryzyko jest podobnie niskie. Po drugie, większość obecnych modeli przecenia ryzyko powyżej PO 2 wynoszącego 1,7 (Shykoff, 2019). Nie oznacza to, że wysokie ciśnienia cząstkowe tlenu są pozbawione ryzyka (doświadczenie wykazało, że stanowią znaczące ryzyko), ale modele nie są w stanie dokładnie przewidzieć tego ryzyka. Wreszcie, chociaż nie możemy bezpośrednio oszacować ryzyka na podstawie danych, które obecnie posiadamy, większość aplikacji powinna ograniczyć PO 2 do mniej niż 1,7 bara (Shykoff, 2019).


Limity narażenia na tlen NOAA (Podręcznik nurkowania NOAA, 2001).

Dla większości nurków zalecenia dotyczące narażenia na tlen przez Narodową Administrację Oceaniczną i Atmosferyczną (NOAA) pozostają konserwatywnym i dobrze szanowanym wyborem do rozważenia ograniczeń. Przeprowadzone przez nas badania pokazują, że te limity narażenia są bezpieczne w większości zastosowań i pomimo kontrowersji związanych z modelowaniem ryzyka i zmiennością ewolucji objawów, planowanie nurkowań przy użyciu stosunkowo konserwatywnych ekspozycji, takich jak te przedstawione w tabeli NOAA, zapewnia pewną miarę bezpieczeństwa.

Istotą problemu w zrozumieniu toksyczności tlenu wydaje się być brak ostatecznego mechanizmu czynników, które mają wpływ na przewidywania ryzyka. Istnieje ogromna zmienność odpowiedzi na hiperoksję między osobami – nawet między tymi samymi osobami w różnych dniach. Istnieje wiele potencjalnych ścieżek obrażeń i wyraźne różnice między umiarkowanymi i wysokimi ekspozycjami PO 2 , a zakres obrażeń i zmian w ciele jest trudny do zmierzenia i jeszcze nie w pełni poznany.

Jeżeli interesują Cię czynniki wpływające na ryzyko toksyczności tlenu i jaka jest przyszłość tych badań, zapraszamy do omówienia w drugiej części .