T.C. İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ İSTANBUL TIP FAKÜLTESİ SUALTI HEKİMLİĞİ VE HİPERBARİK TIP ANABİLİM DALI
Download "T.C. İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ İSTANBUL TIP FAKÜLTESİ SUALTI HEKİMLİĞİ VE HİPERBARİK TIP ANABİLİM DALI"
1 T.C. İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ İSTANBUL TIP FAKÜLTESİ SUALTI HEKİMLİĞİ VE HİPERBARİK TIP ANABİLİM DALI Hiperbarik Ortamda Solunan Hava ve Oksijenin Kan-Beyin Bariyeri Üzerine Etkilerinin Karşılaştırılması Dr. Nihal GÜNEŞ ÇEVİK Tez Danışmanı Prof. Dr. Akın Savaş TOKLU UZMANLIK TEZİ İSTANBUL 2012
2 I TEŞEKKÜR Sualtı Hekimliği ve Hiperbarik Tıp Anabilim Dalı nın kurulmasına ve gelişmesine yoğun emek veren, Prof. Dr. Maide ÇİMŞİT e, uzmanlık eğitimime katkılarından dolayı teşekkür ederim. Uzmanlık eğitimim süresince, mesleki bilgi ve tecrübesini aynı zamanda desteğini esirgemeyen, anlayışlı tavrı ile her konuda yardımcı olan değerli hocam Prof. Dr. Şamil AKTAŞ a teşekkür ederim. Eğitimime ve tez çalışmama, bilgi ve görüşleri ile destek veren, bilimsel çevre oluşturmamda yardımcı olan, tez danışmanım Prof. Dr. Akın Savaş TOKLU ya teşekkür ederim. Uzmanlık eğitimim süresince bilgi ve deneyimlerini bizlerle paylaşan, Prof. Dr. Salih AYDIN a teşekkür ederim. Tez projeme destek veren İstanbul Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri birimine ve çalışanlarına teşekkür ederim. Tez çalışmamın her aşamasında bana yardımcı olan, İstanbul Tıp Fakültesi, Fizyoloji Anabilim Dalı Öğretim Üyesi Prof. Dr. Mehmet KAYA ya, ayrıca tez çalışmamda büyük emekleri olan, Adli Tıp Anabilim Dalı Öğretim Üyesi Prof. Dr. Nadir ARICAN a, Histoloji ve Embriyoloji Anabilim Dalı Öğretim Üyesi Doç. Dr. Bülent AHISHALI ya Sinirbilim Doktora Öğrencisi Nurcan ORHAN a, Uzman biyolog Afife KAYA ya desteklerinden dolayı teşekkür ederim. Uzmanlık eğitimimin büyük bölümünü beraber geçirdiğim Dr. Hayriye MUTLU ya bilgisi, deneyimi, her konudaki desteği, sabrı ve arkadaşlığı için teşekkür ederim. Eğitimim süresince yine beraber çalıştığım diğer asistan arkadaşlarıma teşekkür ederim. Tecrübesi ve yardımseverliği ile görevimde bana yardımcı olan, Fizyoterapist Ali ÇELİK e, Anabilim Dalı Sorumlu Hemşiresi Vildan ERDEM e ve diğer hemşire arkadaşlara, Basınç Odası Operatörü Cengiz ŞİMŞEK e göstermiş oldukları destek, sevgi ve yardımlarından dolayı teşekkür ederim. Asistanlığım süresince yaptığım çalışmalarda ve araştırmalarda bana yardımcı olan, Anabilim Dalı Sekreteri Sevgi MEYDAN a, Kayıt Sorumlusu Aslı AKYÜZ e teşekkür ederim. Ve bugüne kadar yanımda olan aileme, eşim Niyazi ÇEVİK e ve biricik kızım ASYA ya sonsuz sevgi ve saygılarımı sunarım. Dr. Nihal GÜNEŞ ÇEVİK
3 II İÇİNDEKİLER ÖZET 1 ABSTRACT 2 I- GİRİŞ 3 II- GENEL BİLGİLER 5 A- HİPERBARİK OKSİJEN TEDAVİSİ 5 1. Tanım 5 2. Tarihçe 6 3. Hiperbarik Oksijen Tedavisinin Etki Mekanizmaları 8 a. Fiziksel Temel 8 (1). İdeal Gaz Kanunu 8 (2). Boyle Gaz Kanunu 8 (3). Charles ve Gay Lussac Gaz Kanunları 9 (4). Henry Gaz Kanunu 9 (5). Dalton Gaz Kanunu 9 b. Fizyolojik Etkileri 10 (1). Basıncın Mekanik Etkisi 10 (2). Yüksek Parsiyel Oksijen Basıncının Etkileri Hiperbarik Oksijen Tedavisi Endikasyonları Hiperbarik Oksijen Tedavisi Komplikasyonları, Yan Etkileri ve Kontrendikasyonları 16 a. Komplikasyonlar ve Yan Etkiler 16 b. Kontrendikasyonlar 17
4 III B- KAN-BEYİN BARİYERİ Tanım Tarihçe Kan-Beyin Bariyeri Genel Özellikleri Kan-Beyin Bariyeri Hücresel Elemanları 23 a. Beyin Kapiller Endotel Hücreleri 23 b. Kan-Beyin Bariyeri Destek Hücreleri 25 (1). Astrositler 25 (2). Perisitler 25 (3). Mikroglial Hücreler ve Nöronlar Kan-Beyin Bariyeri Sıkı Bağlantıları 26 a. Sıkı Bağlantılar 26 (1). İntegral Proteinler 27 (2). Sitoplazmik Proteinler 28 b. Adheran Bağlantılar Kan-Beyin Bariyeri Fonksiyonları 29 a. İyon Regülasyonu 29 b. Nörotransmitterler 29 c. Nörotoksinler 30 d. Makromoleküller 30 e. Beynin Beslenmesi Kan-Beyin Bariyerinden Madde Geçişi Kan-Beyin Bariyerinin Gelişimi 32
5 IV 9. Kan-Beyin Bariyeri Patofizyolojisi 32 III- AMAÇLAR 34 IV- GEREÇ VE YÖNTEM 35 A- ÇALIŞMA GRUPLARI 35 B- DENEYSEL PROSEDÜR Hiperbarik Oksijen Solunması Hiperbarik Ortamda Hava Solunması Kateterizasyon ve Dekapitasyon Kan-Beyin Bariyerinin Kantitatif Değerlendirmesi İmmünohistokimyasal Değerlendirme Horseradish Peroksidaz Traserinin Makroskobik İncelenmesi ve Elektron Mikroskobik Değerlendirilmesi 38 C- İSTATİSTİKSEL DEĞERLENDİRME 39 V- BULGULAR 40 A- EVANS BLUE BOYASININ BEYİN DOKUSUNDAKİ KANTİTATİF DEĞİŞİKLİKLERİ 40 B- İMMÜNOHİSTOKİMYASAL BOYANMA DEĞİŞİKLİKLERİ 41 C- HRP TRASERİNİN MAKROSKOBİK GÖRÜNÜMÜ 44 D- ELEKRON MİKROSKOPİ BULGULARI 45 VI- TARTIŞMA 46 VII- SONUÇLAR VE ÖNERİLER 51 VIII- KAYNAKLAR 52 I- EKLER 58 - ÖZGEÇMİŞ VE İLETİŞİM BİLGİLERİ 59
6 V ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 1. Şekil 2. Şekil 3. Şekil 4. Şekil 5. Şekil 6. Şekil 7. Şekil 8. Şekil 9. Şekil 10. Şekil 11. Şekil 12. Şekil 13. Tek kişilik basınç odası Çok kişilik basınç odası Beyindeki bariyerler KBOSB ve araknoid bariyer KBB hücresel elemanları Endotel hücreleri arasındaki bağlantı kompleksi KBB den madde geçişi EB boyası enjeksiyonundan sonra alınan beyin örnekleri AQP-4 immun boyanması Okludin immün boyanması Kaveolin-1 immün boyanması Beyin dokusu koronal kesitlerinde HRP reaksiyonu Elektron mikroskopi görüntüleri
7 VI TABLOLAR DİZİNİ Tablo 1. Tablo 2. Tablo 3. Tablo 4. Tablo 5. Tablo 6. UHMS tarafından belirlenmiş HBOT endikasyonları ECHM 2004, HBOT endikasyonları Sağlık Bakanlığı HBOT endikasyon listesi HBOT rölatif kontrendikasyonları KBB geçirgenliğinin değerlendirilmesinde kullanılan traserler Beyin dokusuna geçen EB boyası miktarının kantitatif değerleri
8 VII GRAFİKLER DİZİNİ Grafik 1. Grafik 2. Grafik 3. Grafik 4. Grafik 5. EB boyasının standart eğrisi Beyin dokusuna geçen EB boyası miktarının kantitatif değerleri AQP-4 rölatif boyanma yoğunluğu Okludin rölatif boyanma yoğunluğu Kaveolin-1 rölatif boyanma yoğunluğu
9 VIII KISALTMALAR ABC AJ ALP AQP-4 ATA ATP BOS CO CO 2 CRT EB ECHM EUBS GFAP G-HBH G-HBO GLUT-1 ATP-binding cassette transporters Adherens junction "Aderan bağlantı" Alkalen fosfataz Aquaporin-4 Atmosphere Absolute "Mutlak atmosfer basıncı, 1 ATA=760 mmhg" Adenozin trifosfat Beyin omurilik sıvısı Karbonmonoksit Karbondioksit Kreatin taşıyıcısı Evans blue European Committee for Hyperbaric Medicine European Underwater and Baromedical Society Glial fibrilik asit proteini Hiperbarik hava soluyan grup Hiperbarik oksijen soluyan grup Glukoz taşıyıcısı-1 HADYEK Hayvan Deneyleri Yerel Etik Kurulu, İstanbul Üniversitesi HBH HBO Hiperbarik hava Hiperbarik oksijen
10 I HBOT HRP JAM KBB KBOSB MMP MSS PBS PECAM P-gp TJ UHMS ZO-1,2,3 γ-gtp Hiperbarik oksijen tedavisi Horseradish peroksidaz Junctional adhesion molecule "Bağlantı adezyon molekülü" Kan-beyin bariyeri Kan-beyin-omurilik sıvısı bariyeri Matriks metalloproteinaz Merkezi sinir sistemi Fosfat tampon sıvısı Trombosit endotelyal hücre adezyon molekülü P-glukoprotein Tight junction "Sıkı bağlantı" Undersea and Hyperbaric Medicine Society Zonula okludens-1,2,3 Gama glutamil transpeptidaz
11 ÖZET Amaçlar: Bu deneysel çalışmada, hiperbarik ortamda oksijen ve hava solumanın, sıçanların kan-beyin bariyeri (KBB) geçirgenliği üzerine etkileri araştırılmıştır. Gereç ve yöntemler: Çalışmada 72 adet Wistar albino, sağlıklı, genç erişkin dişi sıçan kullanıldı. Hayvanlar; kontrol grubu, hiperbarik oksijen soluyan grup (G-HBO) ve hiperbarik hava (G-HBH) soluyan gruplar olmak üzere üçe ayrıldı. Hiperbarik oksijen (HBO) ve hipebarik hava (HBH) seansları, 15 dakika kompresyon, 2,5 ATA da 60 dakika %100 oksijen ya da hava soluma, 15 dakika rekompresyon olarak uygulandı. Deney gruplarına 4,5 saat aralarla 24 saatte 4 kez HBO veya HBH seansları uygulandı. Dördüncü seanstan yaklaşık 4 saat sonra, alt gruplara bölünen sıçanlar kateterize edilerek, Evans blue (EB) boyası enjeksiyonu, horseradish peroksidaz (HRP) traseri enjeksiyonu ve immünohistokimyasal değerlendirme için fiksasyon işlemleri yapıldı ve dekapitasyon uygulandı. KBB geçirgenliği, EB boyası ile kantitatif ölçümle, HRP traseri ile elektron mikroskobik düzeyde değerlendirildi. İmmunohistokimyasal değerlendirme, sıkı bağlantı proteini olan okludin, endotel plazma membranında bulunan kaveolin-1 ve astrositik ayak sonlanmalarında bulunan ve bir su kanalı proteini olan aquaporin-4 (AQP-4) ün rölatif boyanma yoğunluklarının, imaj analizi kullanılarak tespiti ile yapıldı. Bulgular: Kontrol ve G-HBH grubu ile karşılaştırıldığında, G-HBO grubunda beyin dokusuna anlamlı ölçüde EB boyası geçtiği saptandı (p<0,05). Elektron mikroskopisi düzeyinde, normal şartlar altında KBB yi geçemeyen HRP nin, G-HBO ve G-HBH gruplarında, KBB yi geçtiği gözlendi. İmmunohistokimyasal olarak imaj analiziyle, okludin ve kaveolin-1 in rölatif boyanma yoğunluklarında gruplar arasında anlamlı fark saptanmadı. AQP-4 ün rölatif boyanma yoğunluğunun, kontrol ve G-HBH grubu ile karşılaştırıldığında, G-HBO grubunda anlamlı olarak arttığı saptandı (p< 0,01). Sonuç: Sağlıklı sıçanlara uygulanan HBO, KBB de EB boyasına karşı geçirgenliği arttırmıştır. Solunum gazındaki oksijenin kısmi basıncının artışı, sağlıklı sıçanların KBB sinden HRP traserinin geçişine neden olmuştur. Anahtar Kelimeler: Hiperbarik oksijen, kan-beyin bariyeri, evans blue, horseradish peroksidaz, AQP-4, okludin, kaveolin-1
12 2 ABSTRACT Objective: In this experimental study, the effects of breathing 100 % oxygen or air under hyperbaric condition, on blood-brain barrier (BBB) permeability were investigated in rats. Materials and methods: Seventy two healthy young female Wistar albino rats were divided into three groups as, control, hyperbaric oxygen breathing (G-HBO) and hyperbaric air breathing (G-HBA) groups. Hyperbaric oxygen (HBO) and hyperbaric air (HBA) sessions were set as, compression in 15 min, 100 % oxygen or air breathing for 60 min at 2,5 ATA and decompression in 15 min. Four hyperbaric sessions on 100 % oxygen or air were applied to G-HBO and G-HBA groups in 24 hours with 4,5 hours intervals. The rats were catheterized about 4 hours after the last hyperbaric sessions to inject Evans blue (EB) dye and horseradish peroxidase (HRP), and to make the fixation for immunohistochemical evaluation and decapitation. BBB permeability was examined quantitatively and electron microscopically by using EB and HRP tracers respectively. In immunohistochemical evaluation, relative staining intensity was detected by image analysis for a tight junction protein occludin, caveolin-1 which is located on endothelial plasma membrane, and aquaporin-4 (AQP-4) that is known as water channel protein. Results: Significant increase was detected in the BBB permeability for EB tracer in G- HBO group (p<0,05) comparing to control and G-HBA groups. In the electron microscopy, HRP crossed the BBB was detected in the samples from both G-HBO and G-HBA groups. There was no significant difference in the relative staining intensity of occludine and caveoline-1 between the groups. The relative staining intensity for AQP-4 increased significantly in G-HBO group (p< 0,01) comparing G-HBA and control groups. Conclusions: The HBO administration to healty rats increased BBB permeability to EB dye. The increase of partial oxygen pressure in breathing gas caused the passing of the HRP tracer across the BBB in rats. Key Words: Hyperbaric oxygen, blood-brain barrier, evans blue, horseradish peroxidase, AQP-4, occludin, caveolin-1
13 3 I- GİRİŞ Organizmadaki diğer sistemlerden farklı olarak, merkezi sinir sistemi (MSS) optimal aktivitesini sürdürebilmesi için mükemmel bir şekilde korunmaktadır. MSS nin homeostatik bir ortamda çalışması için bu koruma işini kan-beyin bariyeri (KBB) üstlenir. KBB, spesifik transport sistemleri ile nöronal fonksiyonlar için gerekli maddelerin geçişine izin veren, beyni kanda dolaşan zararlı maddelerden ve toksinlerden koruyan, özelleşmiş, karmaşık hücresel bir sistemdir. KBB, madde geçişini hem fiziksel hem de metabolik bariyerler sayesinde kontrol eder (1). KBB yıkımı ve fonksiyon bozuklukları, MSS patolojilerinde anahtar rol oynamaktadır. KBB yetmezliğine yol açan veya KBB yetmezliği nedeniyle ortaya çıkan hastalıklara her geçen gün yenileri eklenmektedir. KBB fonksiyon bozuklukları, değişken derecede geçici veya kronik olabilmektedir. İskemi, reperfüzyon, travma, akut hipertansiyon, epilepsi, Alzheimer hastalığı, multipl skleroz gibi hastalıklar dışında manyetik alanda da geçici KBB geçirgenlik değişiklikleri gözlenmektedir (1, 30). Hiperbarik oksijen tedavisi (HBOT), basınç odası içerisinde 1 atmosfer mutlak basınçtan (ATA) daha yüksek basınç altında %100 oksijen solunması temeline dayanan, medikal bir tedavi yöntemidir (30). HBOT ile oksijenin plazmada çözünürlüğü ve taşınması hemoglobinden bağımsız olarak artırılmaktadır. HBOT günümüzde arteriyel gaz embolisi, karbonmonoksit (CO) zehirlenmeleri, dekompresyon hastalığı, diyabetik ayak gibi iyileşmeyen problemli yaralarda, radyasyon nekrozu, nekrotizan yumuşak doku enfeksiyonları, gazlı gangren ve dirençli osteomiyelitlerde ana veya yardımcı tedavi yöntemi olarak kullanılmaktadır (32). Ancak HBOT nin, serbest radikal üretiminde artışa yol açarak MSS de toksisiteye neden olduğu ve bu etkinin özellikle 3 ATA ve üzerindeki basınçlarda uygulandığında meydana geldiği bilinmektedir. Bunun yanı sıra basınç değişiklikleri nedeniyle akut olarak başta orta kulak barotravması olmak üzere, sinüs barotravmaları ve uzun süreli tedavilerde geçici miyopi gibi istenmeyen yan etkileri ortaya çıkabilmektedir (30). Hiperbarik oksijenin (HBO), sağlıklı canlıların hasar görmemiş KBB üzerine etkileri ile ilgili çalışmalar sınırlı sayıda ve yetersizdir. Çalışma sayısının azlığının yanı sıra, sonuçlarının da farklı olması dikkat çekmektedir. Sağlıklı sıçan ve kedilerde yapılan bir çalışmada HBO nun, beyin damar geçirgenliğini arttırdığı gösterilmiştir (44). Buna karşın yapılan başka
14 4 bir çalışmada, HBO benzer koşullarda uygulanmış, ancak beyin damar geçirgenliğinde herhangi bir değişiklik gözlenmediği bildirilmiştir (26). Beyin ödemi tedavisinde, HBO kullanımı ile yapılan deneysel çalışmaların sonuçları da olumlu görünmektedir. HBO nun, sıçan ve farelerde oluşturulan fokal serebral iskemi sonrası ortaya çıkan beyin ödemini ve KBB geçirgenliğini azalttığı bildirilmiştir (71). Tavşanlarda oluşturulan global serebral iskemi sonrası uygulanan HBO nun, beyin kan akımını azalttığını, KBB geçirgenliğini azalttığı gösterilmiştir (47). Bu çalışmalarda da, HBO nun hasar gören KBB üzerine onarıcı etkilerinden söz edilmektedir. Bu deneysel çalışma, sağlıklı sıçanlarda, hiperbarik ortamda solunan hava ve oksijenin, MSS nin ana savunma hattı olan KBB üzerine etkilerini aydınlatmayı amaçlamaktadır. Elde edilecek verilerin, HBO ve hiperbarik ortam maruziyetinin MSS üzerindeki etkilerinin anlaşılmasında bir basamak olması beklenmektedir.
15 5 II- GENEL BİLGİLER A- HİPERBARİK OKSİJEN TEDAVİSİ 1. Tanım HBOT, hastalara veya deneklere 1 atmosfer mutlak basınçtan (1 ATA=760 mmhg=1 bar) daha yüksek basınçlarda, belirli sürelerle aralıklı veya sürekli %100 oksijen solutulması ile yapılan sistemik, medikal bir tedavi yöntemidir (30). 1 ATA ve altındaki basınç değerlerinde %100 oksijen uygulamaları, lokal uygulamalar HBOT olarak kabul edilmemektedir. Tedavinin uygulandığı basınç değeri 2-3 ATA arasında olup, tedavi süresi ve seans sayıları hastanın tanısına ve klinik durumuna göre belirlenmektedir. HBOT uygulamaları için temelde tek kişilik (Şekil 1) ve çok kişilik (Şekil 2) olmak üzere iki tip basınç odası sistemi kullanılır. Tek kişilik basınç odalarında hastalar hava veya oksijen ile basınç altına alınır. Bu sistem kullanıldığında, hasta oksijen ile basınç altına alınırsa, ortamdaki oksijeni sürekli olarak soluyarak, hava ile basınç altına alınırsa, maske ile oksijen soluyarak tedavi olmaktadır. Çok kişilik basınç odalarında ise hastalar hava ile basınç altına alınmakta, daha fazla hasta aynı anda maske, başlık veya endotrakeal tüp yoluyla oksijen alabilmektedir (16, 39). Şekil 1. Tek kişilik basınç odası, İstanbul Üniversitesi, İstanbul Tıp Fakültesi, Sualtı Hekimliği ve Hiperbarik Tıp Anabilim Dalı
16 6 Şekil 2. Çok kişilik basınç odası, İstanbul Üniversitesi, İstanbul Tıp Fakültesi, Sualtı Hekimliği ve Hiperbarik Tıp Anabilim Dalı 2. Tarihçe Hastaların basınç odasına alınarak tedavi edilmesi başlangıçta bilimsel temellere dayanmamıştır. İlk kez 1662 yılında İngiliz rahip Henshaw, sezgilerine dayanarak Domicilium adını verdiği basınç odasında akut hastalıkları yüksek, kronik hastalıkları ise düşük basınçta tedavi etmeye başlamıştır. 19. yy da Avrupa da birçok pnömotik enstitü kurulmuş ve hiperbarik tedaviler yapılmıştır, ancak hiçbir bilimsel sonuç elde edilememiştir yılında Fransız bir cerrah olan Fountaine, mobil basınçlanabilir bir ameliyathane inşa etmiştir. Bu ameliyathane içerisinde nitröz oksit ile anestezi uygulayarak opere ettiği hastalarda, anestezi derinliğinin arttığını ve siyanozun olmadığını gözlemiştir lu yılların sonuna kadar devam eden hiperbarik hava tedavileri içinde, Fountaine nin çalışmalarının tek yarı bilimsel çalışmalar olduğu söylenebilir (33, 40). Kansas Üniversitesi nde anestezi profesörü olarak çalışan Orville J. Cunningham, hipoksi krizlerinin basınç odasında tedavi edilebildiğini hastalar üzerinde göstermiştir. Cunningham, bir hastasının hediyesi olarak yapılan, 64 feet (19,5 m) çapında 72 odalı dev bir küre şeklinde ve bugüne kadar inşa edilmiş en büyük basınç odası (Steel Ball Hospital) içerisinde çeşitli hastaları tedavi etmiş, kültürde üretilemeyen bazı mikroorganizmaların basınç altında üremediğini gözlemiştir. Ancak
17 7 kendinden istenen bilimsel kanıtları sunmaması nedeniyle 1930 yılında Amerikan Tıp Birliği tarafından çalışmaları durdurulmuştur (33, 40). Oksijen birbirinden bağımsız iki kişi tarafından yaklaşık aynı dönemlerde keşfedilmiştir. Carl Wilhelm Scheele 1772 yılında oksijeni keşfetmiş ancak ilk kez 1775 yılında Joseph Priestly oksijen ile ilgili çalışmalarını yayımlamıştır. Oksijenin hiperbarik tıp alanında kullanımı için 150 yıldan fazla zaman geçmesi gerekmiştir (33, 40). Hiperbarik tıp alanındaki asıl gelişmeler, basınçlı tünel işçiliği ile 1845 de Fransa da Loire nehri yatağının kazılarında, Triger in işçilerde görülen disbarik yakınmaları tanımlaması ile başlamıştır (21, 33, 40). Tıpta ilk kez Behnke ve Shaw tarafından 1937 de dekompresyon hastalığında HBOT kullanılmıştır (18). HBOT nin dalış hastalıkları dışında kullanımı 1955 de başlamıştır. Churchill Davidson HBOT yi kanserli hastalarda radyoterapinin etkisini arttırmak amacıyla kullanmıştır da Boerema, hiperbarik oksijen ve volüm desteği ile tedavi ettiği, ölümcül derecede anemik olan domuzlarla ilgili makalesini Life Without Blood (kansız hayat) başlığıyla yayımlamış ve ardından HBOT kalp cerrahisinde kullanılmaya başlanmıştır. Aynı yıl Sharp ve Smith tarafından ilk CO zehirlenmesi vakası HBOT ile tedavi edilmiştir de Boerema ve Brummelkamp gazlı gangren olgularını basınç odasında tedavi etmeye başlamışlardır. Kalp cerrahisinde yeni gelişmeler ile 1970 yıllarında bu alanda HBOT kullanımı terk edilmiştir (18, 33, 40). HBOT ile ilgili ilk uluslararası toplantı 1963 yılında Amsterdam da yapılmıştır. Bu dönemde HBOT bilimsel temeli olmayan birçok hastalıkta da kullanılmıştır. Bu nedenle Amerika Birleşik Devletlerinde kurulan Sualtı ve Hiperbarik Tıp Cemiyeti (UHMS; Undersea and Hyperbaric Medical Society ), 1970 lerin sonunda HBOT nin temel kural ve prensiplerini yayımlamıştır. Daha sonraki yıllarda Avrupa da kurulan diğer benzer örgütler (EUBS; European Underwater and Baromedical Society, ECHM; European Committee for Hyperbaric Medicine) her yıl düzenlenen toplantılarla, yeni çalışmalar ışığında HBOT ile ilgili ortak kararlar alınmasını sağlamıştır. HBOT endikasyonları ile ilgili ilk yazılı doküman ise 1994 yılında yayımlanmıştır (33). Günümüzde HBOT uygulaması ile ilgili eğitim disiplinlerinin geliştirilmesi, bilimsel temeli olan birçok çalışmanın yapılması ve paylaşılması ile endikasyonlar ve HBOT nin tıp alanındaki yeri net olarak belirlenmiştir.
18 8 3. Hiperbarik Oksijen Tedavisinin Etki Mekanizmaları a. Fiziksel Temel HBOT kapalı bir sistem içerisinde basıncın arttırılması ile oksijen solunarak yapılan bir tedavi yöntemi olduğundan, etkilerinin anlaşılabilmesi için bazı gaz kanunlarının hatırlanması gereklidir. Gaz kanunları, gazların sıcaklık, basınç ve hacim ilişkilerini açıklayan bazı kanunlardır. (1). İdeal Gaz Kanunu İdeal gaz kanunu; gazların hacim, termodinamik sıcaklık ve basınçları arasındaki ilişkiyi açıklayan kanundur. Boyle gaz kanunu (1662), Charles gaz kanunu ( ) ve Gay-Lussac gaz kanunu (1809) birleşerek toplam gaz kanununu oluştururlar. Bu kanuna Avogadro yasası da (1811) eklenerek ideal gaz kanunu oluşturulmuştur. Avogadro yasası, eşit hacim, sıcaklık ve basınçtaki gazların aynı sayıda parçacık veya molekül içerdiğini savunur. Bu yasaya göre, ideal gaz sabitinin tüm gazlar için aynı olduğu sonucuna varılır. İdeal gaz kanunu aşağıdaki formül ile ifade edilir. P.V = n.r.t P: Basınç (paskal) V: Hacim (m 3 ) n: Gazın mol sayısı T: Sıcaklık (Kelvin: 0 K) R: Gaz sabiti (8,3145 J/mol 0 K) (2). Boyle Gaz Kanunu Sabit sıcaklıkta, belli bir kütledeki gazın hacmi ile basıncı ters orantılıdır. Boyle gaz kanunu aşağıdaki gibi ifade edilir. P.V = k (T sabit) P: Basınç V: Hacim k: Sabit Arteriyel gaz embolisi ve dekompresyon hastalığı gibi HBOT gerektiren bazı patolojilerin tedavisi bu kanuna dayanır. Artan basınç ile gaz kabarcıklarının hacminde
19 9 küçülme sağlanır. Ayrıca HBOT nin yan etkilerinden biri olan barotravmalar, Boyle gaz kanunu ile açıklanır (42). (3). Charles ve Gay-Lussac Gaz Kanunları Sabit hacimli bir gazın, basıncı ile sıcaklığı doğru orantılıdır (L. Gay-Lussac). Sabit basınç altında, gazların hacimleri, sıcaklıkları ile doğru orantılıdır (J. Charles). Her iki kanunda aşağıdaki gibi ifade edilmektedir. P 1 / T 1 = P 2 / T 2 (V:sabit) P: Basınç V: Hacim T: Sıcaklık Basınç odalarında, basınç hızlı bir şekilde arttırılırsa ortam sıcaklığı artar (36). Hacmi sabit olan basınç odalarında, sıcaklık artışı da basıncın artışına sebep olur. Bu nedenle hiperbarik sistemlerde sıcaklığın kontrol altında tutulması gerekmektedir. (4). Henry Gaz Kanunu Sabit sıcaklıkta bir sıvı içerisinde çözünen gaz miktarı, o gazın parsiyel basıncı ile doğru orantılıdır. Her bir gazın, farklı sıvılar için çözünürlük kat sayısı farklıdır ve sıcaklıkla değişir (36). Oksijen, normal koşullar altında, akciğerlerden %97 si hemoglobine bağlı, %3 ü ise plazmada çözünerek dokulara taşınır. Deniz seviyesinde arteriyel oksijen saturasyonu %97,5 dur. 1 gram hemoglobin 1,34 ml oksijen ile bağlanır. Hemoglobin değeri 15 gr/dl (100 ml) olan normal bir insanda, 100 ml kanda 19,5 ml oksijen taşınabilir. Kapiller seviyede oksijen saturasyonu %75 e, parsiyel oksijen basıncı 40 mmhg ya düşer. Dolayısıyla taşınan oksijen miktarı 14,5 ml ye düşer; 100 ml kan ile yaklaşık 5 ml oksijen dokulara transfer edilir (36). HBOT ile plazmada çözünen oksijen miktarı artar. 2,8 ATA da %100 oksijen solunmasıyla,100 ml kanda çözünen oksijen miktarı 6 ml olmaktadır. Bu değer, tek başına hemoglobinden bağımsız olarak dokuların oksijen ihtiyacını karşılamaya yetecek düzeydedir. Ayrıca Henry gaz kanunu, dekompresyon hastalığı oluşum mekanizmasını da açıklamaktadır. (5). Dalton Gaz Kanunu Bir gaz karışımının basıncı, karışımdaki her bir gazın kısmi basınçlarının toplamına eşittir. Aşağıdaki formül ile ifade edilir.
20 10 P T = P 1 + P 2 + P P n P T : Gaz karışımının toplam basıncı P 1 + P 2 + P P n : Karışımdaki gazların kısmi basınçları toplamı Soluduğumuz havanın yaklaşık %21 ini oksijen, %78 ini nitrojen, kalan %1 ini diğer gazlar oluşturur. Yerküre ve tüm canlılar, atmosfer tarafından uygulanan bir basınç altındadır. Bu basınç değeri deniz seviyesinde 1 kg/cm 2, 760 mmhg ve 1 ATA ya eşittir. Dalton gaz kanununa göre havadaki oksijenin parsiyel basıncı 21/100 x 760 mmhg = 159,6 mmhg (yaklaşık 160 mmhg) veya 0,2 ATA olmaktadır. Örneğin ortam basıncı 2 katına çıkarıldığında oksijenin parsiyel basıncı da doğru orantılı olarak artar ve 320 mmhg veya 0,4 ATA olmaktadır (36). b. Fizyolojik Etkileri HBOT nin etkisi iki temel mekanizma üzerinden olmaktadır. Bunlar doğrudan basıncın mekanik etkisi ve parsiyel oksijen basıncında artış ile ortaya çıkan etkilerdir (30). (1). Basıncın Mekanik Etkisi Boyle gaz kanununa göre basınç arttığında gazların hacimleri küçülür. Dekompresyon hastalığı, gaz embolileri ve gazlı gangrende olduğu gibi doku içerisinde gaz kabarcıklarının olduğu patolojilerde, doğrudan basıncın etkisiyle kabarcıkların küçülmesi hedeflenir. Küçülen gaz kabarcığının yüzey gerilimi artar ve dengesizleşir, hızla kollabe olma eğilimdedir. Aynı zamanda kabarcık içerisindeki nitrojen, HBOT ile sağlanan yüksek gradiyentteki oksijen ile yer değiştirerek kabarcığın daha kolay elimine olmasını sağlar. Kabarcık tamamen yok edilemese de çevre dokuya yaptığı baskı ve dolaşım bozukluğu ortadan kaldırılır. Damar içinde özellikle silindirik yapıdaki gaz kabarcıkları, pıhtılaşma mekanizmalarını aktive etmektedir. Basıncı etkisi ile bu kabarcıklar daha küçük küresel formlara dönüşmektedir (30). Vücutta fizyolojik olarak gaz içeren organ ve sistemlerde de benzer etkiler görülmektedir. Basınç arttırılması ve düşürülmesi sırasında oluşabilecek bazı yan etkiler de bu şekilde açıklanır.
21 11 (2). Yüksek Parsiyel Oksijen Basıncının Etkileri Hemoglobin normal şartlar altında oksijen ile %97 oranında satüre durumdadır. Bu nedenle normobarik ortamda oksijen solunması ile hemoglobinin oksijen ile en fazla %100 satüre olur, plazmada çözünen oksijen miktarında hafif bir artış gözlenir. HBOT yüksek parsiyel oksijen basıncı sağlayarak plazmada çözünen oksijen miktarını artırmaktadır. Örneğin 2,8 ATA da oksijen solunması ile parsiyel oksijen basıncı kat artmaktadır bu da yaklaşık 100 ml plazma ile 6 ml oksijen taşınmasını sağlar. CO zehirlenmesi gibi hemoglobinin oksijen taşıyamadığı durumlarda HBOT nin bu etkisinden yararlanılır (30). HBOT ile venöz kandaki hemoglobin de tamamen oksijen ile satüre durumdadır. Karbondioksitin (CO 2 ) bir kısmı kanda hemoglobine bağlanarak taşınmaktadır. Hemoglobin ile taşınamayan CO 2 plazmada çözünür, hafif bir asidoza yol açar. Ancak sağlıklı bir organizmada bu herhangi bir sorun oluşturmaz. Kronik obstrüktif akciğer hastalığı gibi CO 2 atılımının yetersiz olduğu durumlarda ciddi retansiyon gelişebilir (30). Plazmada yüksek oranda çözünen oksijenin, hastaların fizyolojik ve patofizyolojik durumlarına bağlı olarak, çeşitli organ, doku ve biyokimyasal reaksiyonlar üzerinde sayısız etkisi vardır. Gazlı gangrende alfa toksin üretiminin baskılanması, lökositlerin antimikrobiyal etkinliğinde artış, kapiller duvarlarda lökosit adezyonunda azalma, hipoksik olmayan bölgelerdeki damarlarda vazokonstriksiyon, kapiller proliferasyonda artış, fibroblast çoğalması ve kollajen üretiminin uyarılması, süperoksit dismutaz stimülasyonu, adenozin trifosfat (ATP) üretiminin sağlanmasıyla doku ödeminde gerileme, CO zehirlenmesinde lipid peroksidasyonunun engellenmesi, osteoklastik aktivite artışı, oküler lenste esnekliğin azalması, sürfaktan sentezinde azalma bunlardan bazılarıdır (30). Kardiyovasküler Sistem Üzerine Etkileri: Hiperoksi, doku ve organlarda vazokonstriksiyon ve kardiyak after-load artışına neden olur. Kalp hızında yavaşlama ve kan basıncında artış tespit edilir. Kalbin dakika atım hacmi bir miktar düşer, ancak atım volümü ve kontraktilite değişmez (17, 30). Antiödem Etkisi: HBOT ile oluşan hiperokside, birçok doku ve organda vazokonstriksiyon meydana gelir. Kompartman sendromunda, yanık olgularında ve serebral ödemde bu etkiden faydalanılarak ödemin azaltılması amaçlanır. Ancak bu vazokonstriktif etki kanlanmanın bozulduğu hipoksik bölgelerde gözlenmemektedir. HBOT, hipoksi ile bozulan kapiller geçirgenliği düzenleyici etki gösterir (17, 30).
22 12 Antihipoksik Etkisi: Plazmada çözünen oksijen miktarında artış, hemoglobinden bağımsız olarak doku ve hücrelere oksijen taşınması sağlamaktadır. Bu artış, oksijenin daha uzak mesafelere difüzyon ile ulaşmasını kolaylaştırır. Dolayısıyla HBOT periferik iskemilerde olduğu gibi doku oksijenlenmesinin bozulduğu durumlarda veya CO zehirlenmesi, derin anemide olduğu gibi, hemoglobin ile oksijen taşınamadığı durumlarda tedavi edici ajan olarak kullanılmaktadır (17, 30). Antibakteriyel ve Antitoksik Etkileri: Dokuda oksijen konsantrasyonu arttığında mikroorganizmaların metabolik fonksiyonlarını yerine getirmesi ve çoğalması zorlaşır. HBOT ve hiperoksi, antioksidan sistemleri yetersiz olan anaerobik mikroorganizmalarda, oksijen radikalleri ile DNA, RNA hasarına ve protein fonksiyonlarında bozukluğa yol açarak bakteriyostatik veya bakterisidal etki göstermektedir. Ancak deneysel çalışmalarda 1,5 ATA ve altında HBOT, aerobik mikroorganizmalarda çoğalmayı artırmaktadır (17). Bu nedenle terapötik dozun belirlenmesi önem taşır. HBOT enfekte ve hipoksik bölgede yüksek oksijen konsantrasyonu sağlayarak, nötrofiller tarafından fagosite edilen bakterilerin oksijen radikalleri ile öldürülmesinde etkili olur. Ayrıca HBOT, bakteriyel ekzotoksin üretimini baskılaması nedeniyle (Cl. perfringens alfa ve teta toksini) gazlı gangren tedavisinde önemli bir yere sahiptir (34, 56). Aminoglikozitlerin hipoksik durumlarda bakteriye penetrasyonu zayıftır. HBOT başta aminoglikozitler olmak üzere, trimetoprim-sulfometoksazol, siprofloksasin gibi antibakteriyel ajanların etkilerini de artırmaktadır (46, 56). Yara İyileşmesi Üzerine Etkileri: Yara, doku veya organın anatomik bütünlüğünün bozulmasıdır. Organizma yaralanmayı takiben onarım faaliyetlerine başlar. Yara iyileşmesi birçok sistemin bir arada çalıştığı, iç içe geçmiş çok aşamalı bir süreçtir. Bu süreç içerisindeki bazı aşamalar ise oksijen bağımlıdır. Yara bölgesi, başta fibroblast ve makrofajlar olmak üzere, birçok hücre ve büyüme faktörünü barındıran, hipoksik, asidotik ve ödemli bir ortamdır (61). Yara bölgesindeki düşük oksijen basıncı, erken dönemde; büyüme faktörleri, sitokin sentezi ve salınımını, gen aktivasyonunu, anjiogenezisi ve rejenerasyonu uyarır (43). Oluşan yeni vasküler yapının olgunlaşabilmesi için doku oksijen basıncının normal olması gereklidir (66). Fibroblast ve endotel hücreleri en iyi replikasyonu, parsiyel oksijen basıncı mmhg arasındayken gösterir, maksimum kollajen sentezi ise mmhg parsiyel oksijen basıncında olmaktadır (53). Kollajen sentezinin ana basamağı olan prolin hidroksilasyonu ve çapraz bağ oluşumunu sağlayan lizil oksijenaz enziminin hızı, oksijen konsantrasyonu ile
23 13 korelasyon göstermektedir. Epitelizasyon ise oksijen basıncına bağımlıdır ve vaskülarizasyonun yeterli olması gerekmektedir. HBOT yara dokusunda; hipoksiyi giderir, yara bölgesine substrat desteği sağlar, fibroblast proliferasyonunu ve diferansiyasyonunu uyarır, kollajen sentezini arttırır ve stabilizasyonuna yardımcı olur, anjiogenezisi hızlandırır, granülasyon dokusunun oluşumunu, epitelizasyonu ve yara gerimini arttırır, kapiller permeabiliteyi düzenleyerek ödemi azaltır, antimikrobiyal etkiyi artırır, iskemi reperfüzyon hasarını azaltır (54). HBOT bu etkileri nedeniyle, özellikle vasküler nedenli iyileşmenin sorun olduğu periferik arteriyel hastalıklar ve diyabetik ayak yaralarında, radyasyon hasarlarında, greft ve flep sağ kalımını arttırmada yaygın kullanım alanı bulmaktadır. Merkezi Sinir Sistemi Üzerine Etkileri: HBOT ile artan parsiyel oksijen basıncı, MSS kan akımlarında, elektriksel aktivitesinde ve metabolik süreçlerinde değişikliğe neden olur. Ancak tüm bunlar tam aydınlatılabilmiş değildir. Bu değişikliklerden biri aynı zamanda HBOT komplikasyonu olan MSS oksijen toksisitesi olarak karşımıza çıkmaktadır (36). 4. Hiperbarik Oksijen Tedavisi Endikasyonları UHMS tarafından 2003 yılında kesinleştirilmiş HBOT endikasyonları Tablo 1 de sunulmuştur (24). ECHM tarafından 2004 yılında belirlenen HBOT endikasyonları ise 3 sınıfta toplanmıştır. Bunlar Tip 1 (HBOT kuvvetle önerilen), Tip 2 (HBOT önerilen) ve Tip 3 (opsiyonel) olmak üzere ayrılmıştır (Tablo 2). HBOT uygulanan durumlar ile ilgili çalışmalar incelenmiş ve kanıt düzeyine göre A ile F arasında derecelendirilmiştir. Kanıt seviyesi A, birbiriyle uyumlu en az iki tane tarafsız, geniş, randomize, çift kör çalışmayı tanımlamaktadır. Kanıt seviyesi F ise var olan kanıtlarla HBOT kullanılmaması gereken durumlardır (67). Ülkemizde Sağlık Bakanlığı tarafından kabul edilen HBOT endikasyonları ise Tablo 3 de özetlenmiştir (31).
24 14 1. Hava veya gaz embolisi 2. Karbonmonoksit zehirlenmesi / Siyanür zehirlenmesi 3. Gazlı gangren 4. Akut travmatik iskemiler (crush yaralanması / kompartman sendromu) 5. Dekompresyon hastalığı 6. Seçilmiş problemli yaralarda yara iyileşmesine destek 7. Aşırı kan kaybı (anemi) 8. İntrakranial abse 9. Nekrotizan yumuşak doku enfeksiyonları 10. Refrakter Osteomyelit 11. Geç radyasyon hasarı (yumuşak doku ve kemik nekrozu) 12. Tutması şüpheli greft ve flepler 13. Termal yanıklar Tablo 1. UHMS tararından belirlenmiş HBOT endikasyonları (24)
25 15 DURUMLAR KABUL KABUL EDİLEN EDİLMEYEN Kanıt Seviyesi Kanıt Seviyesi Tip 1 (Kuvvetle Önerilen) A B C D E F Karbonmonoksit zehirlenmesi Crush yaralanması Diş çekimi sonrası osteoradyonekrozun önlenmesi Osteoradyonekroz (mandibula) Yumuşak doku radyonekrozu (sistit) Dekompresyon hastalığı Gaz embolisi Anaerobik veya miks bakteriyel anaerobik enfeksiyonlar Tip 2 (Önerilen) Diyabetik ayak lezyonları Riskli deri grefti ve muskulokutan flep Osteoradyonekroz (diğer kemikler) Radyasyona bağlı proktit/enterit Radyasyona bağlı yumuşak doku lezyonları Radyon uygulanmış dokularda cerrahi ve implantasyon (işlem öncesi) Ani işitme kaybı İskemik ülser Refrakter kronik osteomiyelit Nöroblastom evre 4 Tip 3 (Opsiyonel) Post-anoksik ensefalopati Larinks radyonekrozu Radyasyona bağlı santral sinir sistemi lezyonu Vasküler girişim sonrası reperfüzyon hasarı Uzuv reimplantasyonu Yüzey alanı %20 yi ve 2. dereceyi geçen yanıklar Akut iskemik oftalmolojik hastalıklar İnflamatuvar sürece sekonder iyileşmeyen yaralar Pnömatozis sistoides intestinalis Diğer Endikasyonlar Post sternotomi mediastinit İnme Orak hücreli anemi Malign otitis eksterna Akut miyokard infarktüsü Femur başı nekrozu Retinitis pigmentoza Tinnitus İnterstisyel sistit Fasial paralizi Serebral palsi Multipl skleroz Fetoplasental yetmezlik Tablo 2. ECHM 2004, HBOT endikasyonları (67)
26 16 1. Dekompresyon hastalığı 2. Hava veya gaz embolisi 3. Karbonmonoksit, siyanid zehirlenmesi, akut duman inhalasyonu 4. Gazlı gangren 5. Yumuşak dokunun nekrotizan enfeksiyonları (deri, kas, fasya) 6. Crush yaralanması, kompartman sendromu ve diğer akut travmatik iskemiler 7. Yara iyileşmesinin geciktiği durumlar (diyabetik ve non-diyabetik) 8. Kronik refrakter osteomiyelit 9. Aşırı kan kaybı 10. Radyasyon nekrozları 11. Tutması şüpheli deri flep ve greftleri 12. Termal yanıklar 13. Beyin apsesi 14. Anoksik ensefalopati 15. Ani işitme kaybı 16. Retinal arter oklüzyonu 17. Kafa kemikleri, sternum ve vertebraların akut osteomiyelitleri Tablo 3. Sağlık Bakanlığı HBOT endikasyon listesi (31) 5. Hiperbarik Oksijen Tedavisi Komplikasyonları, Yan Etkileri ve Kontrendikasyonları a. Komplikasyonlar ve Yan Etkiler En sık karşılaşılan yan etki barotravmalardır. Barotravma vücutta hava dolu boşluklarda, basınç değişikliğine bağlı olarak oluşan hasarlardır. HBOT uygulamaları sırasında en sık orta kulak barotravması görülür. Orta kulaktaki hava hacmi basınç artışına bağlı olarak küçülür (Boyle gaz kanunu) ve negatif basınç oluşur. Oluşan negatif basınç çevre dokuyu içeri çekerek, ödem, eksüdasyon, kanama ve kulak zarında perforasyona sebep
27 17 olabilir. Valsalva manevrası, yutkunma gibi bazı manevralarla östaki borusundan orta kulağa hava geçişi ile basınç eşitlenmesi sağlanarak bu durum engellenir. Hasta eğitimi, basınç artış hızının yavaşlatılması ile orta kulak barotravmasının önüne geçilebilir. Orta kulak barotravmalarına bağlı hasarlar tedavi için kesin kontrendikasyon oluşturmaz ve endikasyona göre değerlendirilir. Acil tedavi gerektiren durumlarda ise barotravma göz ardı edilebilir veya miringotomi seçenek olarak değerlendirilebilir. Etkilenebilecek başka bir bölge ise paranazal sinüslerdir. Valsalva manevrası ile paranazal sinüslerde basınç eşitlenmesi sağlanır. Ancak hava geçişini engelleyecek kitle (mukosel vb) veya mukozal ödeme sebep olan durumlarda (alerjik rinit, üst solunum yolu enfeksiyonu) barotravma görülür. Nadiren orta kulakta aşırı negatif basınç oluşması veya güçlü valsalva manevrası yapılmasıyla iç kulak barotravması gözlenir. Dış kulak yolunda tıkayıcı lezyon veya buşon oluşumları nedeniyle ve iyi yapılmamış dental dolgularda da barotravma gözlenebilmektedir. Cerrahi işlem sonrası gastrointestinal sistem ve oküler barotravmalar da bildirilmiştir (60). En ciddi barotravma ise akciğer barotravmasıdır. Tedavi sonrası basıncın düşürülmesi sırasında, akciğerde hava hapsine neden olan lezyonlarda (kist, kavern vb), bronşiyal obtrüksiyonda veya glottisin kapalı olduğu durumlarda alveoler rüptür meydana gelebilir. Pnömotoraks, pnömomediastinum, cilt altı amfizem ve gaz embolisine neden olabilecek bu durum acil tedavi gerektirir. Bu nedenle, HBOT için hasta seçimi dikkatli yapılmalıdır (41). HBOT nin 3 ATA ve üzeri basınçlarda uygulanması ile MSS de oksijen toksisitesi görülür. Standart HBOT protokolleri bu basınç değerinin altındadır. Ancak, konvülziyona yatkın olan veya epilepsi hikayesi olanlarda, tedavi basınçlarında da toksisite gözlenebilir. Dekompresyon hastalığı tedavisinde olduğu gibi uzun süreli HBOT gerektiren durumlarda, solunum sıkıntısı, substernal ağrı ve öksürük semptomları ile karşımıza çıkan pulmoner toksisite gözlenebilir. Aralıklı oksijen solunması ile toksisitenin önüne geçilebilir (35, 41). HBOT, bazı kişilerde, uzun süreli tedavi ile geri dönüşümlü miyopiye neden olmaktadır. Lens proteinlerinde oksidasyon nedeniyle olduğu öne sürülen bu durum haftalar içerisinde gerilemektedir (41, 55). b. Kontrendikasyonlar HBOT nin kesin olarak kontrendike olduğu durum tedavi edilmemiş pnömotoraksdır. Rölatif kontrendikasyonlar tablo olarak verilmiştir (Tablo 4). Bu durumlarda hastanın kliniği ve tedavinin sağlayacağı fayda değerlendirilerek karar verilir (35, 41).
28 18 1. Üst solunum yolu enfeksiyonları 2. CO 2 retansiyonu ile birlikte olan amfizem 3. Radyografide hava hapsine yol açabilecek asemptomatik lezyonlar 4. Spontan pnömotoraks öyküsü 5. Kontrol edilemeyen yüksek ateş 6. Konvülzif bozukluklar 7. Toraks ve kulak cerrahisi sonrası, otoskleroz nedeniyle protez uygulananlar 8. Gebelik 9. Klostrofobi 10. Malign hastalık Tablo 4. HBOT rölatif kontrendikasyonları (35, 41) B- KAN-BEYİN BARİYERİ 1. Tanım Kan-beyin bariyeri (KBB), spesifik transport sistemleri ile nöronal fonksiyonlar için gerekli maddelerin geçişine izin veren, beyni kanda dolaşan zararlı maddelerden ve toksinlerden koruyan, özelleşmiş, karmaşık hücresel bir sistemdir. KBB, madde geçişini hem fiziksel (sıkı bağlantılar), hem de metabolik (enzimler ve transport sistemleri) bariyerler sayesinde kontrol eder. KBB yıkımı ve fonksiyon bozuklukları, MSS patolojilerinde anahtar rol oynamaktadır (15, 23). 2. Tarihçe KBB varlığını ilk kez 1885 de Alman mikrobiyolog Paul Ehrlich ortaya çıkarmıştır. Ehrlich, triptan mavisi olarak bilinen doku boya maddesini intravenöz olarak verdiği hayvanlarda, sadece beyin dokusunun boyanmadığını görmüştür. Ancak boyanın beyin dokusuna geçmemesini, boyayı bağlayacak protein olmamasına bağlamıştır da Edwin Goldman aynı boyayı beyin omurilik sıvısı (BOS) içerisine enjekte etmiş ve beyin dışında
29 19 boyanma olmadığını gözlemiştir. Bu deney, beyin ile kan arasında bir bariyer olması dışında beyin ile BOS arasında bariyer olmadığını da ortaya koymuştur (10, 23). Daha önceleri KBB yi glial hücrelerin oluşturduğuna inanılmıştır (Dempsey ve Wislocki 1955) lı yıllarda, Reese ve Karnovsky (1967), Brightman ve Reese (1969), bir traser olan horseradish peroksidazı intravenöz ve intratekal uygulayarak elektron mikroskopisinde ultrastrüktürel düzeyde KBB yapısını göstermişlerdir. Bu deneyler beyin vasküler endotel hücrelerinin, KBB nin birincil yapıları olduğunu ve vücudun diğer bölgelerindeki endotel hücrelerinden farklı olduğunu ortaya koymuştur (10, 19). Elektron mikroskopisi kullanımı ve farklı traserlerin takibi ile KBB yapısı ve geçirgenliği ile ilgili çalışmalar hızla devam etmiştir de Gross ve Weindl, beyinde sirkumventriküler organlar olarak bildiğimiz bölgelerde KBB yapısı olmadığını göstermişlerdir. Risau ve Wolburg (1990) kan-beyinomurilik sıvısı bariyerini (KBOSB), Strazielle ve arkadaşları (2004) ise kan-retina bariyerini açıklamışlardır (10). Günümüzde, KBB yapısı, fonksiyonları ve patolojik değişimleri tıp ve biyoloji alanında yoğun ilgi görmekte ve KBB ilgili çalışmalar her geçen gün giderek artmaktadır. 3. Kan-Beyin Bariyeri Genel Özellikleri MSS, organizmada diğer bölgelerden farklı olarak optimal aktivitelerini sürdürebilmesi için mükemmel bir şekilde kontrol altında tutulmaktadır. MSS de hem elektriksel hem de kimyasal olarak sağlanan nöronal iletişim, oldukça hassas bir mikroçevrede sürdürülmektedir. Nöronal mikroçevreyi ve homeostazisi korumada kritik öneme sahip olan KBB, beyni kanda dolaşan bazı yabancı maddelerin yol açabileceği zararlardan, periferik hormon ve nörotransmitterlerden korur, nöronal hücreler için uygun ortam sağlar ve beyin kan akımını düzenler (1). Beyinde bazı bölgelerde KBB zayıftır ya da hiç bulunmamaktadır. Sirkumventriküler organlar olarak bilinen bu kısımlar, kandaki değişimleri hızla algılar ve organizmayı ani değişimlerden koruyucu olarak fonksiyon görür. Sirkumventriküler organlar; pineal bez (melatonin salınımı), nörohipofiz (vazopressin benzeri hormonlar), area postrema (kusma merkezi), alt kommissural organ, subfornikal organ, koroid pleksus, median eminens, supraoptik yarıktır (72).
30 20 MSS de üç bariyerden bahsedilir (Şekil 3). Bunlar; (a) Kan ve kapiller endotel hücreleri arasındaki bariyer; KBB (b) Koroid pleksus epitel hücreleri ile kan arasında bulunan, kan-beyin-omurilik sıvısı bariyeri; KBOSB (c) Kan ve avasküler araknoid epitel arasındaki bariyerdir (1). Şekil 3. Beyindeki bariyerler (1) Koroid pleksustaki kapiller endotel hücreleri, kesikli bir bazal membrana ve fenestralara sahiptir. Bu fenestralı yapı sayesinde makromoleküllerin geçişine izin verir. BOS yüzeyine bakan, ependim hücreleri olarak bilinen tek sıra epitel hücreleri, sıkı bağlantı yapıları tight junction (TJ) ile birbirine sıkıca bağlanarak KBOSB i oluşturur. Ependim hücreleri
31 21 mikrovillusları ile geniş bir yüzey alanına sahiptir (Şekil 4). Bu bölgede aktif transport, pasif ve kolaylaştırılmış difüzyon kandan beyine ve beyinden kana olmak üzere iki yönlü yapılmaktadır (3). BOS, ventriküler sistemde yerleşmiş koroid pleksus epitel hücreleri (ependim) tarafından oluşturulur. Beyin ekstraselüler sıvı sekresyonunun bir kısmı ve interstisyel sıvı sekresyonu, KBB kapiller endoteli tarafından da yapılır. BOS ve beyin interstisyel sıvı sekresyonu, Na + tarafından oluşturulan iyonik ve osmotik gradiyent ile yönetilir. KBB endotelinin abluminal ve koroid pleksus epitelinin apikal membranında bulunan Na + -K + - ATPaz pompası ile kontrol edilir (1). Üçüncü bir bariyer yapısı olan araknoid bariyer, duranın altında MSS yi tamamen kaplayan avasküler epitelden oluşan bir yapıdır (Şekil 4). Küçük bir yüzey alanına sahip olsa da, beyin ve ekstraselüler sıvı arasında son ve tamamlayıcı bir bariyer görevi üstlenir. Araknoid zar genelde hidrofilik maddelere geçirgen değildir (1). Şekil 4. (a) KBOSB, (b) Araknoid bariyer (15) KBB, endotel hücrelerindeki TJ ler ile oluşturulan fiziksel bariyer, endotel hücresi sitoplazmasındaki enzimler ile sağlanan enzimatik bariyer ve spesifik taşıyıcılardan oluşan transport bariyerinden oluşmaktadır. Son yıllarda nörovasküler ünite tanımı ortaya atılmıştır. Bu ünite kapiller endotel hücresi, ekstraselüler matriks, bazal membran, perisit, damar düz kası, glial hücreler, perivasküler makrofaj ve nöronlardan oluşmaktadır. Ünite içerisindeki hücreler arasındaki etkileşimin, beyin gelişimi, sinaptik aktivite ve KBB geçirgenliği üzerine etkileri vardır. MSS patolojilerinde, hücreler arası etkileşimin
32 22 bozulmasıyla KBB geçirgenliğinde değişiklikler olmaktadır (6). Ekstraselüler matriksteki bozulma ile KBB permeabilite artışı arasında güçlü bir ilişki bulunmaktadır (58). KBB özelliklerinde herhangi bir değişikliğin olup olmadığı, hayvan çalışmalarında uygulanan traserlerin takibiyle yapılabilmektedir. Normal koşullarda uygulanan bu traserler KBB yi geçmezler. Bariyer özelliğini kaybettiği durumlarda, farklı molekül ağırlıklarında olan bu traserler, protein, solüt ve iyon permeabilitesini değerlendirmede kullanılabilmektedir (38). Kullanılan bazı traserler ve molekül ağırlıkları Tablo 5 de verilmiştir (49). Traser Evans blue-albumin Ruthenium red Floresan izotiyosiyonat dekstran Floresan izotiyosiyanat albumin Horseradish peroksidaz Mikroperoksidaz 14 C-dekstran 14 C-α aminoizobutirik asit 14 C-inülin 14 C-sukroz 14 C-metotreksat Sodyum floresan İyonik lantanum Molekül Ağırlığı Da 800 Da Da Da Da Da Da 103 Da Da 342 Da 455 Da 376 Da 138,9 Da Tablo 5. KBB geçirgenliğinin değerlendirilmesinde kullanılan traserler (46)
33 23 4. Kan-Beyin Bariyeri Hücresel Elemanları KBB yi oluşturan hücreler, endotel hücreleri ve destek hücreleri olmak üzere iki gruba ayrılabilir (Şekil 5); a. Endotel hücreleri b. Destek hücreleri; (1). Astrositler (2). Perisitler (3). Perivasküler mikroglial hücreler ve nöronlardır. Şekil 5. KBB hücresel elemanları (1) a. Beyin Kapiller Endotel Hücreleri MSS iyi gelişmiş tüm organizmalarda KBB bulunmaktadır. İnsanlarda ve tüm memelilerde KBB, başlıca beyin vasküler endotel hücreleri tarafından oluşturulur. Yetişkin bir insanda KBB, yaklaşık 12 ile 18 m 2 kadar yüzey alanına sahiptir (1, 8).
34 24 Beyindeki endotel hücreleri, periferik vasküler endotelyal hücrelerden oldukça farklıdır. Bu endotel hücreleri, TJ adı verilen sıkı bağlantılar ile kenetlenmiş ve kesintisiz bir bazal membran üzerine yerleşmişlerdir, fenestrasyon göstermezler. Morfolojik olarak zonula okludens olarak da adlandırılan bu yapıların, lokalizasyonuna göre difüzyon kapasiteleri ve dirençleri değişiklik gösterir. Bu elektriksel direnç değeri, diğer dokularda 3-33 Ω/cm 2 iken KBB de Ω/cm 2 dolayındadır. Bu durum paraselüler yolla (endotel hücreleri arasından geçiş) beyne makromolekül, solüt ve iyonların geçişini önemli ölçüde kısıtlar. İntraselüler ve ekstraselüler kalsiyum konsantrasyonu, endotel hücreleri, glial hücreler ve nöronlardan salınan vazoaktif ajanlar, sitokinler bariyerin elektriksel direncini ve geçirgenliğini değiştirebilir (11, 69). Beyin kapiller endotel hücresinde pinositik veziküller (kaveol) çok azdır ve çok sayıda mitokondri gözlenir. Sıçanlarda, kas hücrelerine oranla kapiller endotel hücrelerinde 5-6 kat daha fazla oranda mitokondri bulunmaktadır. Bu çok sayıda ve büyük hacimdeki mitokondrilerin, özellikle enerji bağımlı transselüler yol ile (endotel hücresi içerisinden geçiş) madde taşınmasında kullanıldığı düşünülmektedir. Morfometrik çalışmalarda beyin kapiller duvar kalınlığının, diğer kapiller duvarlara göre %39 oranında daha ince olduğu ve kaveollerin çok az olduğu gösterilmiştir (13). Luminal yüzeyde yerleşik bu kaveollerin transitoz ve endositozda rol aldığı bilinmektedir. Bazal membranın hasar gördüğü durumlarda vezikül sayısında artış görülür (12, 29). KBB endotel hücresi luminal ve abluminal membran yüzeyleri arasında bir polarite mevcuttur. Gama glutamil transpeptidaz (γ-gtp) ve alkalen fosfataz (ALP) enzimleri luminal tarafta bulunmakta iken Na + -K + -ATPaz ve sodyum bağımlı nötral aminoasit taşıyıcılar abluminal yüzeyde bulunur. Glukoz taşıyıcı reseptörü GLUT-1 in, elektron mikroskopi çalışması ile abluminal yüzeyden luminal yüzeye doğru dağıldığı gösterilmiştir. Ayrıca luminal membran yüzeyinde özellikle kemoterapötiklerin dışarı çıkışını sağlayan P- glikoprotein (P-gp) ve çoklu ilaç direnci ile ilişkili proteinler (MRPs) bulunmaktadır (9, 12, 29). Bazı ilaçlar ve nörotransmitterler, endotel hücresinin luminal yüzeyinden sitoplazmaya girdiğinde, spesifik enzimler tarafından inhibe edilirler. Enzimatik bariyer olarak fonksiyon gören, sitokrom p-450, γ-gtp, ALP, aromatik asit dekarboksilaz gibi enzimler, vücudun diğer bölgelerine oranla beyinde çok daha yüksek konsantrasyonlarda bulunur. Endotel bariyer antijeni (EBA), GLUT-1 ve γ-gtp spesifik bariyer belirteçleridir (29).
35 25 b. Destek Hücreleri (1). Astrositler KBB yi oluşturan endotel hücrelerinin %99 u glial hücreler tarafından çevrelenmiştir. Astrositler, KBB gelişimi ve modülasyonunda büyük role sahiptir. Astrosit yoğunluğunda azalma veya kayıp durumlarında, bariyer yapı ve fonksiyonlarında bozulma ve TJ aralıklarında genişleme deneysel çalışmalarda gösterilmiştir (58). Astrosit sitoplazmasında, mikroflement yapıda glial fibriler asidik protein (GFAP) bulunmaktadır ve bu hücrelerin tanınmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Astrosit hasarı veya hastalıklarında, GFAP boyanmasındaki değişiklikler duyarlı bir gösterge olarak kabul edilmektedir (22). Astrositler hücre ve hücrelerarası su dağılımının düzenlenmesinde, iyon dengesinin korunmasında önemli rol almaktadır (2). Astrosit ayakçıklarında bulunan aquaporin-4 (AQP- 4) ve potasyum kanalı olan Kir4.1 gliovasküler iletişimde, beynin su ve elektrolit dengesinin korunmasında oldukça önemlidir. AQP-4, astrosit ayakçıklarının beyin endotel hücrelerinin abluminal membrana bakan kısımlarında eksprese edilir (62). AQP-4 ekspresyonu KBB gelişimi ile paralellik gösterir ve KBB nin hasar gördüğü durumlarda azalır (51, 62). Bu nedenle, AQP-4 glial protein olarak kabul edilir ve vasküler bariyer fonksiyonları açısından önemli bir belirteçtir (18). (2). Perisitler Endotel hücrelerinin abluminal tarafında, bazal lamina ile çevrelenmiş, sitoplazmik uzantıları ile kapiller yapıyı çepeçevre saran hücrelerdir. Periferik mikrovasküler yapıları da çevreleyen bu hücreler, bağ dokusu hücreleri olarak tanımlansa da tam olarak sınıflandırılamamıştır. Perisitler, çizgili kas dokusu ile karşılaştırıldığında beyin dokusunda 30 kat daha fazla oranda bulunur. Aktin içerikleri ile kasılabilen perisitler, özellikle pia arteriollerinde kan akımının düzenlenmesine yardımcı olur. Bunun yanında salgıladığı büyüme faktörleri ile (TGF-β, PDGF, ang-1 ve 2, sfingozin-1 fosfat) anjiogenezde rol almaktadır. Beyin dokusunda perisit kaybı, anormal vasküler morfolojiye ve vasküler hiperplaziye neden olmaktadır. Beyindeki bazı perisitler eksojen proteinleri fagosite etmekte ve antijen sunmaktadır, bu nedenle makrofaj kökenli olabilecekleri düşünülmüştür (15).
36 26 (3). Mikroglial Hücreler ve Nöronlar Mikroglial hücreler, makrofajların beyin parankimi içerisinde görülen farklı bir formudur. Leptomeningeal mezenkimal hücrelerden köken alır ve beyinde mikroglial hücrelere transforme olurlar. Perivasküler makrofajlar, dolaşımdan parankime geçmiş monositlerdir. Köken olarak aynı olsalar da fenotipik faklılıkları vardır (15). Beyin parankimindeki nöronlar, endotel hücreleri, perivasküler astrositler ve perisitler ile yakın temas halindedirler. KBB geçirgenliğinin, kan akımının düzenlenmesinde ve metabolik ihtiyaçların karşılanmasında rol almaktadırlar. Nöronal ve mikrovasküler iletişimin bozulduğu, iskemi ve travma gibi nöronal hasar yaratan durumlarda KBB fonksiyonları bozulmaktadır. Alzheimer hastalığında olduğu gibi, kolinerjik innervasyonun bozulduğu durumlarda serebrovasküler fonksiyonlar da bozulmaktadır. Akut hipertansiyon nedeniyle oluşan locus coeruleus hasarında da noradrenaerjik innervasyonda bozukluk ile KBB geçirgenliği değişmektedir. Kesin mekanizmalar bilinmemekle beraber araştırmalar devam etmektedir (58). 5. Kan-Beyin Bariyeri Sıkı Bağlantıları Serebral endotel hücreleri, koroid pleksus epiteli ve araknoid epitel hücreleri arasındaki sıkı bağlantılar, kandan beyin dokusuna birçok makromolekül ve polar maddenin geçişini engelleyen önemli bir yapıdır. TJ yapıları lokal ve dolaşımdaki faktörlere bağlı olarak paraselüler yolun fonksiyonlarını dakikalar içerisinde düzenleme kabiliyetine sahiptir (1, 69). Endotel hücreleri arasında iki bağlantı kompleksi vardır (Şekil 6). Bunlar; TJ ve aderan bağlantılardır (adherens juntion: AJ). (a). Sıkı Bağlantılar Sıkı bağlantı (TJ) proteinleri, üç integral protein; klaudin, okludin ve bağlantı adezyon molekülü (junctional adhesion molecule: JAM), sitoplazmik uzantıları; zonula okludensler (ZO-1, 2, 3), singulin ve diğer proteinlerden oluşmaktadır. Sitoplazmik ve membran proteinleri ile bağlantıda olan aktin, endotel hücresinin fonksiyonel ve yapısal bütünlüğünün korunmasında önemli hücre iskeleti proteinidir (63, 69).
37 27 Şekil 6. Endotel hücreleri arasındaki bağlantı kompleksi (1). (1). İntegral Proteinler Klaudin: 22 kda ağırlığında ve fosfoprotein yapısında olan klaudinler sadece TJ yapıları içerisinde bulunur (Şekil 6). Klaudinlerin insan ve farelerde bilinen 20 izomeri mevcuttur. C terminal uçları ile hücre içinde ZO-1, ZO-2 ve ZO-3 ün PDZ bölgesine (postsynaptic density-95 protein) bağlanır. Klaudinler, TJ yapısı içinde, komşu endotel hücrelerindeki klaudine bağlanarak paraselüler geçirgenlikte anahtar rol oynar (1, 52, 69). Okludin: TJ yapısında ilk keşfedilen, 65 kda ağırlığında integral fosfoproteindir. Okludinin aminoasit dizilimi insan ve kemirgenlerde %90 homoloji göstermektedir. C- sonlanma bölgesi ise türler arasında en çok benzerlik gösteren kısmıdır. C-sonlanmasına, en çok ZO-1 proteini bağlanır ve aktin ile doğrudan ilişki içerisindedir. Ca +2 den bağımsız bağlayıcı-yapıştırıcı protein özelliği olan okludinin membrandaki yoğunluğu elektriksel direnç artışı ile paralellik gösterir (1, 69). Okludinin G-protein bağımlı veya bağımsız olarak fosforilasyonu paraselüler geçirgenliği düzenlemektedir. Son çalışmalar okludinin epitel hücre farklılaşmasında ve transepitelyal nötrofil migrasyonunda rolü olduğunu göstermektedir (15).