液体呼吸

液体呼吸
肺投与用液体懸濁液中のペルフルブロンおよびゲンタマイシン分子のコンピュータ生成モデル
メッシュ	D021061
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液体呼吸は_、通常空気呼吸する生物が、二酸化炭素ガス交換が可能な酸素を豊富に含む液体（パーフルオロカーボンなど）を呼吸する呼吸法である。^[1]

関係する液体には、呼吸ガス溶解性、密度、粘度、蒸気圧、脂溶性などの特定の物理的特性が必要であり、一部のパーフルオロ化合物(PFC) はこれらを備えています。^[2]したがって、液体換気、薬物送達、血液代替物などの特定の生物医学的用途に適した PFC を選択することが重要です。PFC 液体の物理的特性は大きく異なりますが、共通する特性の 1 つは呼吸ガスに対する高い溶解性です。実際、これらの液体は血液よりも多くの酸素と二酸化炭素を運びます。^[3]

理論的には、液体呼吸は、特に小児の場合、重度の肺外傷または心臓外傷を負った患者の治療を助けることができます。 ^{[どのように？ ]液体呼吸は、深海}潜水^{[4] [5] [6]}や宇宙旅行^{[7] [8]}での使用も提案されています。液体換気は最近進歩していますが、標準的な適用方法はまだ確立されていません。

液体呼吸はまだ非常に実験的な技術であるため、いくつかのアプローチが提案されています。

肺が完全に液体で満たされた全液体換気（TLV）は有益であるが、^[9]必要とされる複雑な液体充填チューブシステムはガス換気に比べて不利である。システムには膜型酸素化装置、ヒーター、および肺への一回換気量アリコートの調整済みパーフルオロカーボン（PFC）の送気と肺からの除去を行うポンプが組み込まれている必要がある。Thomas H. Shaffer率いるある研究グループは、マイクロプロセッサと新技術の使用により、TLV中の液体機能的残気量や一回換気量などの呼吸変数をガス換気よりも適切に制御できると主張している。 ^{[2] [10] [11] [12]}その結果、全液体換気には、呼吸可能な液体を使用することを除けば医療用人工呼吸器に似た専用の液体人工呼吸器が必要となる。多くのプロトタイプが動物実験に使用されているが、専門家は臨床応用に向けて液体人工呼吸器の開発を継続することを推奨している。^{[13]特定の前臨床液体人工呼吸器（イノリベント）は現在、}カナダとフランス で共同開発中です。^{[14]この液体人工呼吸器の主な用途は、}心停止後の治療的低体温の超高速誘導です。これは、実験的な心停止後のより遅い冷却方法よりも保護的であることが実証されています。^[15]

対照的に、部分液体換気（PLV）は、機能的残気量（全肺容量の約40% ）に近い量までPFCを肺に注入する技術です。従来の機械的人工呼吸器は、これに一回換気量呼吸を加えます。この液体換気モードは、現在、全液体換気よりも技術的に実現可能と思われます。なぜなら、PLVは、現在世界中の多くの新生児集中治療室（NICU）で導入されている技術を活用できるからです。

PLVが酸素化、二酸化炭素除去、肺の力学に与える影響は、肺損傷の異なるモデルを用いたいくつかの動物実験で調査されている。 ^{[16] PLVの臨床応用は、}急性呼吸窮迫症候群（ARDS）、胎便吸引症候群、先天性横隔膜ヘルニア、新生児呼吸窮迫症候群（RDS）の患者で報告されている。PLVを正しく効果的に実施するためには、

1. 肺胞容積を増やすために、患者に特定の肺容積（10～15 ml/kg）を適切に投与する
2. 肺からのPFCの蒸発を防ぐために、PFC液（1～2 ml/kg/h）を肺に再投与します。

PFC 液が肺内に保持されない場合、PLV はガス人工呼吸器に関連する生体物理学的力から肺を効果的に保護できません。

PFCの新しい応用モードが開発されました。^[17]

部分的液体換気 (PLV) では、肺に液体を充填します。この液体は、パーフルブロン (ブランド名 Liquivent) などのパーフルオロカーボンです。この液体には、いくつかのユニークな特性があります。表面張力が非常に低く、呼気中に肺胞が潰れてくっつくのを防ぐために肺で生成される界面活性剤物質に似ています。また、密度が高く、酸素が容易に拡散し、抗炎症特性がある可能性があります。PLV では、肺に液体を充填し、その後、保護肺換気戦略を使用して、従来の人工呼吸器で患者を換気します。この液体が、肺の浸水して破片で満たされた部分に酸素を輸送し、この破片を除去して肺胞を広げ、肺機能を改善するのを助けることが期待されています。PLV の研究には、肺の損傷を最小限に抑えるように設計されたプロトコル化された人工呼吸器戦略との比較が含まれます。^{[18] [19]}

パーフルオロヘキサン用に調整された2つの麻酔薬気化器によるパーフルオロヘキサンの気化は、羊のオレイン酸誘発性肺障害におけるガス交換を改善することが示されている。 ^[20]

主に蒸気圧の高い PFCが気化に適しています。

エアロゾル化した パーフルオロオクタンにより、オレイン酸誘発性肺障害を患った成羊の酸素化と肺力学の顕著な改善が示されました。

サーファクタント枯渇子豚では、エアロゾルPFCによりガス交換と肺メカニクスの持続的な改善が実証された。^[21] エアロゾル装置はPFCエアロゾル化の有効性にとって決定的に重要である。なぜなら、サーファクタント枯渇ウサギでは、別のエアロゾル装置を使用してPF5080（精製度の低いFC77）のエアロゾル化は効果がないことが示されたからである。部分液体換気とエアロゾルPFCは肺の炎症反応を軽減した。^[22]

液体呼吸の使用で最も有望な分野は小児科の分野です。^{[23] [24] [25]}液体呼吸の最初の医療用途は、1990年代の未熟児^{[26] [27] [28] [29]と}急性呼吸窮迫症候群（ARDS）の成人の治療でした。液体呼吸は、Alliance Pharmaceuticalsがフッ素化合物のペルフルオロオクチルブロマイド（略してペルフルブロン）を開発した後、臨床試験で使用されました。現在の陽圧換気法は、未熟児の肺疾患の発症に寄与し、気管支肺異形成などの疾患につながる可能性があります。液体換気は、この損傷の原因となる高圧勾配の多くを取り除きます。さらに、ペルフルオロカーボンは肺の炎症を軽減し、 ^{[30] [31] [32]}換気と灌流の不均衡を改善し、薬剤の肺投与の新しい経路を提供することが実証されています。^{[30] [33] [34]}

部分的および完全な液体換気の両方に役立つ薬物送達技術を研究するために、最近の研究では、ナノ結晶懸濁液を使用した PFC 薬物送達に焦点が当てられています。最初の画像は、ゲンタマイシン分子と組み合わせた PFC 液体 (パーフルブロン) のコンピュータ モデルです。

2 番目の画像は、ガス換気中の新生子羊に 5 mg/kg のゲンタマイシンを気管内 (IT) および静脈内 (IV) 投与した後の血漿および組織レベルを比較した実験結果を示しています。IV 投与量の血漿レベルは 4 時間の研究期間中 IT 投与量を大幅に上回っていますが、気管内(IT) 懸濁液で投与されたゲンタマイシンの肺組織レベルは 4 時間後に一様に静脈内 (IV) 投与アプローチを上回っています。したがって、IT アプローチでは、全身的に安全なレベルを維持しながら、薬物をより効果的に標的臓器に送達できます。両方の画像は、4 時間にわたる生体内の時間経過を表しています。現在、多数の研究により、肺への送達媒体としての PFC 液の有効性が実証されています。^{[35] [36] [37] [38] [34] [39] [33] [40] [30] [41]}

未熟児と成人を対象とした臨床試験が実施されている。^[42]この処置の安全性と有効性は早い段階から明らかであったため、米国食品医薬品局(FDA) は、この製品の救命能力を理由に、この製品に「ファスト トラック」ステータス (製品の迅速な審査を意味し、安全に可能な限り迅速に一般に公開されるように設計されている) を与えた。臨床試験では、通常の人工呼吸器と併用してペルフルブロンを使用すると、高頻度振動換気(HFOV)を使用した場合と同程度に結果が改善されたことが示された。しかし、ペルフルブロンが HFOV よりも優れていなかったため、FDA はペルフルブロンを承認せず、Alliance は部分液体換気の適用を中止した。ペルフルブロンが HFOV と併用された場合に結果が改善されるか、または HFOV よりも長期的な影響が少ないかどうかは、未解決の問題である。

1996年、マイク・ダーウィンとスティーブン・B・ハリスは、心停止やその他の脳外傷の被害者の体温を急速に下げ、脳の回復を促進するために、パーフルオロカーボンを使用した冷たい液体換気を使用することを提案しました。 ^[43]この技術はガス/液体換気（GLV）と呼ばれるようになり、大型動物で毎分0.5 ℃ の冷却率を達成できることが示されました。 ^[44]これはまだ人間で試されていません。

最近では、低体温による脳保護が急速な脳冷却と関連付けられている。この点で、優先的な脳冷却のための鼻腔内パーフルオロケミカルスプレーを使用する新しい治療法がある。^[45]鼻咽頭（NP）アプローチは、脳循環と動脈に解剖学的に近いため、脳冷却には独特である。成羊での前臨床研究に基づくと、部位に関係なく、NPパーフルオロケミカルの方が冷却ブランケットによる従来の全身冷却よりも脳冷却が速いことが示された。現在までに、完了した無作為化心停止中研究（患者200名）を含む4つのヒト研究が行われています。^{[46] [47]}結果は、病院前心停止中経鼻冷却が安全で実行可能であり、冷却時間の改善に関連していることを明確に示しました。

ガス圧は深さとともに増加し、10メートルごとに1バール（100 kPa（14.5 psi））上昇し、マリアナ海溝の底では1,000バールを超えます。ダイビングは深度が深くなるほど危険になり、深海潜水には多くの危険が伴います。水生哺乳類^[48]やフリーダイビングをする人間など、表面呼吸をするすべての動物は減圧症になりやすいです。深海での呼吸は窒素酔いや酸素中毒を引き起こす可能性があります。深海での呼吸後に浮上中に息を止めると、空気塞栓症、肺破裂、肺虚脱を引き起こす可能性があります。

トリミックスやヘリオックスなどの特殊な呼吸ガス混合物は窒素酔いのリスクを軽減しますが、完全になくすことはできません。ヘリオックスは窒素酔いのリスクをさらに排除しますが、約 500 フィート (150 メートル) より下ではヘリウム震えのリスクが生じます。大気圧潜水服は体圧と呼吸圧を 1 バールに維持し、潜降、浮上、深度での呼吸の危険のほとんどを排除します。ただし、硬いスーツはかさばり、扱いにくく、非常に高価です。

液体呼吸は第3の選択肢であり、^{[4] [49]}柔軟なダイビングスーツで得られる機動性と、硬いスーツでのリスクの軽減を約束します。肺に液体が入ることで、ダイバーの肺内の圧力は、肺がガスで満たされたときに必要な大きな分圧ガスへの曝露なしに、周囲の水圧の変化に対応できます。液体呼吸では、非液体の使用で起こる高圧窒素またはヘリウムによる体組織の飽和は発生しないため、ゆっくりとした減圧の必要性が軽減されるか、またはなくなります。

しかし、液体の粘度が高く、それに応じて二酸化炭素を除去する能力が低下することから、重大な問題が生じる_。 [ ^{4] [50]}ダイビングで液体呼吸を使用する場合は必ず全液体換気を行う必要がある（上記参照）。しかし、全液体換気では、二酸化炭素を運び去るのに十分な液体を移動させることが困難である_{。なぜなら}、全圧がどれだけ高くても、呼吸液体に二酸化炭素を溶解するために利用できる部分的な二酸化炭素ガス圧の量は、_血液中の_{二酸化炭素}の圧力（約40 mm水銀柱（Torr））よりも大幅に高くなることは決してないからである。 ^[50]

これらの圧力では、ほとんどのフルオロカーボン液体は、通常の安静時の代謝に十分な_{二酸化炭素を除去するために、約 70 mL/kg 分の換気量 (70 kg の成人で約 5 L/分) の液体を必要とする。} ^[51]これは、特に液体が気体よりも粘性が高く密度が高いため (たとえば、水は空気の密度の約 850 倍である^[52] )、移動する液体としては大量の液体である。ダイバーの代謝活動が増加すると、二酸化炭素の生成と呼吸速度も増加するが_、これはすでに液体呼吸の現実的な流量の限界に達している。^{[4] [53] [54]}人工呼吸器の補助なしに人が 10 リットル/分のフルオロカーボン液体を移動するとは考えにくいため、「自由呼吸」はありそうにない。しかし、液体呼吸システムを、ダイバーの血液供給に接続された二酸化炭素スクラバーと組み合わせることができると示唆されており_、そのような方法について米国特許が申請されている。^{[55] [56]}

液体浸漬は、 G 力の物理的ストレスを軽減する方法を提供します。流体に加えられる力は、全方向の圧力として分散されます。液体は実質的に圧縮できないため、空中操縦や宇宙旅行で行われるような高加速下でも密度は変化しません。組織と同じ密度の液体に浸かった人は、座席やハーネスストラップなどの単一の点ではなく、体全体に加速力が分散されます。この原理は、Libelle G スーツと呼ばれる新しいタイプのG スーツに使用されています。このスーツでは、航空機のパイロットを硬いスーツで水で囲むことで、10 gを超える加速度でも意識を保ち、機能することができます。^[57]

液体浸漬による加速保護は、体組織と浸漬液の密度差によって制限されるため、この方法の有用性は約 15 gから 20 gに制限されます。^[58] 加速保護を 20 g以上に拡張するには、肺を水と同等の密度の液体で満たす必要があります。宇宙飛行士は、体腔内すべてが液体で完全に浸漬されているため、極端な G 力の影響をほとんど感じません。これは、液体にかかる力が均等に、すべての方向に同時に分散されるためです。体組織間の密度差により影響は依然として感じられるため、加速度の上限は依然として存在します。ただし、その上限は数百 G を超える可能性があります。^[59]

加速保護のための液体呼吸は、肺組織に適合する水と同等の密度の適切な呼吸媒体を見つけることが難しいため、実用的ではない可能性があります。パーフルオロカーボン流体は水の2倍の密度があるため、この用途には適していません。^[3]

• アレクサンドル・ベリャーエフの 1928 年の SF 小説「両生類人間」は、科学者と一風変わった外科医が、息子のイクチアンダー (語源は「魚」+「人間」) の命を救うためにサメのエラを移植するというストーリーです。この小説を基にした映画もあります。
• L. スプレイグ・ド・キャンプの 1938 年の短編小説「人魚」は、肺をえらとして機能させ、人間が水中で「呼吸」できるようにする実験的なプロセスを中心に展開します。
• ハル・クレメントの 1973 年の小説『オーシャン・オン・トップ』は、海水よりも密度の高い酸素を含んだ液体の「泡」の中で暮らす小さな海底文明を描いています。
• ジョー・ハルデマンの 1975 年の小説『永遠の戦争』では、液体浸漬と呼吸が、最大 50 G の加速度での宇宙旅行と戦闘を可能にする重要な技術として詳細に説明されています。
• 『スタートレック: 次世代』の小説『ハムリンの子供たち』 （1988年）では、エンタープライズDの乗組員が、船内に呼吸可能な液体環境を備えた異星人種族に遭遇します。
• ピーター・ベンチリーの1994年の小説『ホワイト・シャーク』は、ナチスの科学者が水陸両用人間を作ろうとする実験的な試みを描いている。その科学者の肺は水中で呼吸できるよう外科手術で改造され、さらにフルオロカーボン溶液を浴びせられた後、反射的に水中で呼吸できるよう訓練されている。
• ジュディスとガーフィールド・リーブス・スティーブンスによる 1994 年のスタートレック小説『フェデレーション』では、慣性減衰装置が発明される前は、高 G 加速のストレスにより、宇宙船のパイロットは液体で満たされたカプセルに浸かり、肺が圧迫されるのを防ぐために酸素を豊富に含む生理食塩水を呼吸する必要があったと説明されています。
• ニコラ・グリフィスの小説『スロー・リバー』（1995年）には、20立方フィートの銀色がかったピンク色のパーフルオロカーボンのプール内で起こるセックスシーンが描かれており、その感覚は「拳を呼吸するような」と表現されている。
• ベン・ボヴァの小説『ジュピター』（2000年）には、木星の大気の高圧環境で生存できるよう、呼吸可能な液体の中に乗組員が浮かぶ宇宙船が登場する。
• スコット・ウェスターフェルドのSF小説『The Risen Empire 』（2003年）では、軌道上から宇宙に突入する兵士の肺には、疑似肺胞と初歩的な人工知能が埋め込まれた酸素を豊富に含むポリマーゲルが充填されている。^[60]
• グラハム・マクニールの小説『メカニカム』（2008年）は、ホルスの大逆シリーズの第9巻で、栄養液タンクに収容された身体障害を持つタイタン（巨大戦闘機械）のパイロットについて描かれている。これにより、パイロットは身体が通常課す限界を超えて活動を続けることができる。^[61]
• 劉慈欣の小説『暗黒の森』（2008年）では、23世紀の人類の軍艦は、船が受ける極度の加速力から乗組員を守るために、酸素を豊富に含む「深海加速液」と呼ばれる液体を船室に満たしている。船は「深海状態」に入り、加速が始まる前に乗組員は液体に浸され、鎮静される。^[62]
• ダン・ブラウンの2009年の小説『ロスト・シンボル』では、ロバート・ラングドン（主人公）は、マラーク（敵役）による拷問と尋問の手段として、幻覚剤と鎮静剤を混ぜた呼吸可能な液体に完全に浸される。彼は液体を吸い込んで意識を失い、身体を制御できなくなり、臨死体験をするが、すぐに蘇生する。
• グレッグ・ヴァン・イークハウトの2014年の小説『カリフォルニア・ボーンズ』では、2人の登場人物が液体で満たされたタンクに入れられる。「彼らには呼吸器は与えられなかったが、タンク内の水は血液よりも多くの酸素を運ぶパーフルオロカーボンを豊富に含んでいた。」^[63]
• 作家 A.L. メンゲルの SF 小説『さまよう星』 （2016 年）では、数人の登場人物が水中都市を探索するために潜水中に酸素を含んだ液体を呼吸します。彼らは、パーフルオロカーボン液体で満たされた高圧の「泡」の中に潜ります。
• ジェイムズ・S・A・コーリーのエクスパンスシリーズの2019年の小説『ティアマトの怒り』では、ラコニア帝国は、乗組員が著しく高い重力加速度に耐えられる完全浸水型液体呼吸ポッドを備えた船を利用しています。このシリーズの強力で燃料効率の良い核融合エンジンにより、船の加速の唯一の実際的な制限は乗組員の生存可能性となったため、これによりこの船は人類が植民した宇宙全体で最速の船となっています。

• ジェリー・アンダーソンの UFOシリーズ(1970 ～ 1971 年)に登場するエイリアンは、液体呼吸用の宇宙服を着用しています。
• 1989年のジェームズ・キャメロン監督の映画『アビス』には、液体呼吸を使って何千フィートも圧縮されずに潜るキャラクターが登場する。『アビス』には、実際に撮影された、フルオロカーボン液体に浸かって呼吸するネズミのシーンもある。^[64]
• 1995年のアニメ 『新世紀エヴァンゲリオン』では、この メカのコックピットはLCLと呼ばれる架空の酸素含有液体で満たされている。これはパイロットがエヴァンゲリオンと精神的に同調するために必要なもので、また、血液に直接酸素を供給し、戦闘による衝撃を和らげる。コックピットが浸水すると、LCLはイオン化され、その密度、不透明度、粘性が空気に近くなる。主人公の碇シンジは、 LCLが血の匂いがすることに気づく。最終的に、LCLはエヴァンゲリオンの祖先であるリリスの血液であることが明らかになる。
• 映画『ミッション・トゥ・マーズ』（2000年）では、高加速の打ち上げ前に、呼吸可能な液体に浸かっている登場人物が描かれている。
• セブンデイズ(1998-2001)のシーズン 1、エピソード 13 では、クロノノートのフランク パーカーが、着用している密閉された全身スーツを通して送り込まれる高酸素パーフルオロカーボン液体を呼吸している様子が映し出されます。このスーツと液体の組み合わせにより、彼はほぼ 1000 フィートの深さの外洋からロシアの潜水艦に乗り込むことができます。潜水艦に乗り込むと、彼はヘルメットを外し、肺から液体を吐き出し、再び空気を呼吸できるようになります。
• アダルトスイムのアニメシリーズ『メタロ​​カリプス』（2006年 - 2013年）のエピソードでは、マリアナ海溝でアルバムをレコーディング中に、バンドの他のメンバーがギタリストのトキを「液体酸素隔離室」に沈めている。
• 「ダルジールとパスコー」 （1996-2007）のシリーズ11のエピソード「Demons on Our Shoulders」では、リチャード・E・グラント演じるマジシャンのリー・ナイトが、呼吸可能な液体を使った水中トリックを披露します。
• Syfyチャンネルの番組「ユーリカ」(2006-2012)のエピソードでは、保安官ジャック・カーターが科学的事故の影響を治すために「酸素を多く含むプラズマ」のタンクに沈められます。
• アニメシリーズ「アルドノア・ゼロ」（2014-2015）の第5話では、スレイン・トロイヤードが液体の入ったカプセルに乗って墜落したことが描かれています。アセイラム王女は墜落を目撃し、スレインがカプセルから脱出するのを手伝い、その後、スレインの肺から液体を抜くために心肺蘇生法を使用しました。
• 2024年のアニメ『 バンブレイブバンブレイバーン』では、主役のメカであるブレイバーンが水中戦闘中にコックピットに液体を満たし、パイロットのアオ・イサミに、圧力を打ち消すと同時に酸素を直接供給することを伝えます。ブレイバーンはこれを『アビス』のシーンと直接比較し、アオはブレイバーンがなぜこの映画のことを知ったのかと尋ねます。

• 1995 年の古典的な PCターンベース戦略ゲームX-COM: Terror from the Deepでは、深海で戦う「アクアノーツ」は、濃い酸素を運ぶ液体を呼吸します。^{[引用が必要]}
• EVE Online Universe（2003）では、カプセル（宇宙船のコントロールセンターとして機能する脱出ポッド）内のパイロットは、酸素が豊富でナノ飽和した呼吸可能なグルコースベースの懸濁液を呼吸します。^[65]
• ゲーム「ヘルダイバーズ2（2024）」では、アップグレード後、ジェットパイロットはコックピット内で通気性のあるパーフルオロカーボンを使用して重力加速度を吸収し、より危険な操縦を可能にします。

• 人工えら（人間用）
• 呼吸ガス
• 液体人工呼吸器
• 機械的人工呼吸

• さあ、この液体を吸い込んでください。Discover Magazineより
• ミラクルガール、リーダーズダイジェストより