Doktorgrad i baromedisin:

Mekanismer i utvikling av trykkfallsyke etter dykking

«Er det noen som har lyst til å reise til Galapagos, dykke i Yucatan og forske for NASA?» ropte professor Alf Brubakk under rekrutteringsmøtet av NTNUs første forskerlinjestudenter i 2002. I det øyeblikket bestemte jeg meg for å forske på trykkfallsyke.

  Av Arve Jørgensen

Doktorgrad i baromedisin:

Det ble ingen tur til Galapagos, men guttedrømmen ble oppfylt med romfartsforskning hos NASA. I bakgrunnen ses en fullskala modell av romstasjonen (ISS) hvor astronautene trener. Etter en lang og kronglete vei med motgang og medgang, og utallige rotte- og griseliv på samvittigheten, så ble det disputas i 2014.

Alf Brubakk er en av pionérene bak utviklingen av ultralydteknologi på 70-80-tallet. Hans arbeid er grunnlaget for dagens ultralyddiagnostikk og livsgrunnlaget til Vingmed Ultrasound i Horten. Alfs veier gikk videre fra ultralydteknologi til dykkerforskning. Bruk av pionerdykkere i Nordsjøen var helt nødvendig for utvikling av petroleumsvirksomheten på norsk sokkel. Hovedmålet ved Alfs forskning var å gjøre dykkingen sikrere og forhindre helseskade og død hos dykkerne. Alf tok i bruk ultralyd for å kvantifisere mengden gassbobler i sirkulasjonen hos nordsjødykkerne som et objektivt mål på dykkerstress, og for å vurdere risiko for utvikling av trykkfallsyke.

Gassbobler, skade og død

Under et dykk vil økt omgivelsestrykk komprimere pustegassen, slik at økte mengder gass løser seg i kroppens blod og vev. Under oppstigning fra dykket reduseres omgivelsestrykket (trykkfall), og den økte mengden oppløst gass i kroppen kan ved for rask oppstigning danne bobler i kroppen. Det er allment akseptert at disse boblene er årsak til trykkfallsyke, en svært alvorlig tilstand som kan føre til permanent skade og død (Vann et al., 2011). Man ser for seg at gassbobler i blodbanen kan okkludere kar og føre til kritisk iskemi i tillegg til at disse boblene oppfattes som kroppsfremmede og fører til aktivering av koagulasjonskaskader og immunresponser.

I verden i dag driver millioner av mennesker med både sportsdykking og profesjonell dykking. Dykking i forbindelse med oljeutvinning er fortsatt svært viktig. Til tross for at dykkere følger dagens gjeldende retningslinjer for hva som anses som trygg dykking, kan de likevel utvikle trykkfallsyke av ukjente årsaker. Trykkfallsyke kan også oppstå hos andre som utsettes for store endringer i omgivelsestrykk, som tunnel- og gruvearbeidere, astronauter utenfor romstasjonen, personell som utsettes for store høyder, for eksempel U2-piloter og enkelte fallskjermhoppere, og ved nødevakuering fra trykksatte fartøy, som ubåt eller dykkerklokke. Til tross for at trykkfallsyke har vært kjent siden 1600-tallet, og man har drevet systematisk forskning siden 1800-tallet (Stepanek & Webb, 2008), så er det fremdeles manglende kunnskap om mekanismene for hvordan og hvorfor trykkfallsyke oppstår.

Hensikt

Hovedmålet med denne doktorgraden var å undersøke hvordan dykking kan føre til skade og hvordan skade fra dykking kan forhindres. Ved bruk av en dyremodell ønsket vi å se på mekanismer for hvordan fysisk aktivitet før dykking kan påvirke bobledannelse, og hvordan høye nivå av oksygen i pustegassen i kombinasjon med bobledannelse kan påvirke risikoen for trykkfallsyke. Dyremodeller gir god kontroll av miljø og biologiske faktorer, og gjør det også mulig å studere eksponeringer som ligger utenfor grensene for trygg dykking hos mennesker.

Doktorgraden består av tre studier hvor den første ser på sammenheng mellom hard fysisk aktivitet, muskelskade og trykkfallsyke, den andre på hvordan dykking kan føre til endringer i gen- og proteinuttrykk i åreveggen og blodet, og den siste på hvordan dykking kan føre til skade på hjertet og hvordan man kan beskytte seg mot disse skadene ved å puste oksygen under høyt trykk (hyperbart oksygen) på forhånd.

Metode og Resultater

For å simulere dykking, ble rotter plassert i et trykkammer der lufttrykket i kammeret først ble økt for å simulere et dykk til en gitt dybde. På slutten av dykket ble så lufttrykket gradvis redusert for å indusere gassbobledannelse hos rottene. Under narkose ble mengden bobler i sirkulasjonen målt ved hjelp av ultralyd. Prøver fra blod og vev ble analysert.

Trykkammer tilpasset simulert dykking av rotte og gris.

Studie 1

Generelle retningslinjer fraråder fysisk aktivitet før dykking da dette kan er antatt å kunne øke risikoen for trykkfallsyke (Claybaugh & Lin, 2004). Studier indikerer at enkelte former for fysisk aktivitet (eksentrisk trening) kan gi skade på muskulatur som i neste omgang øker risiko for bobledannelse (Foster & Butler, 2009). Problemet er at disse retningslinjene ikke har tilstrekkelig evidensgrunnlag. Nyere studier har faktisk vist at hard fysisk aktivitet før dykking kan redusere risikoen for trykkfallsyke (Dujic et al., 2008). I den første studien ønsket vi å studere mekanismer for hvordan fysisk aktivitet kan føre til økt bobledannelse og risiko for trykkfallsyke. Rotter ble utsatt for en hard eksentrisk treningsøkt på tredemølle før dykking og sammenlignet mot en kontrollgruppe som ikke trente før dykket. Til tross for omfattende muskelskade hadde ikke treningen noen effekt på bobledannelse eller risiko for alvorlig trykkfallsyke (Jorgensen et al., 2013b).

I den aller første studien sprang rottene intervaller i nedoverbakke på tredemølle før dykking, for å indusere muskelskade.

Studie 2

Økte nivå av oksygen i pustegassen hos dykkere blir brukt til å redusere risiko for trykkfallsyke, men økte oksygennivå i pustegassen kan også føre til skadelige effekter og muligens gi økt risiko for trykkfallsyke (Madden & Laden, 2009). I den andre studien undersøkte vi hvordan eksponering av økte oksygennivå i pustegassen under dykking kan føre til endringer i genuttrykk. Vi fant økt aktivitet av gener og høye nivå av proteiner i blodåreveggen og blodet, som kunne tyde på at oksygenstress under dykking kan føre til en skadelig tilstand med økt betennelse i blodårene, økt aktivitet av immunforsvaret og økt risiko for dannelse av blodpropp (Eftedal et al., 2012).

I alle tre studiene ble rottene anestesert etter dykking og mengden bobler i sirkulasjonen (aorta og lungearterien) ble målt ved hjelp av ultralyd.

Studie 3

Å utsette organismen for et mildt stress kan sette i gang prosesser som beskytter organismen mot et påfølgende større stress. Dette kalles prekondisjonering (Yellon & Downey, 2003). Basert på funn i studie 2, ønsket vi å undersøke om pusting av hyperbart oksygen før dykking kan beskytte/prekondisjonere rottene mot skadelige effekter fra selve dykket. Rottene ble utsatt for et svært stressende dykk med påfølgende skade på hjertet, og måling av stressrelaterte faktorer direkte i hjertevev og i blod viste at prekondisjonering med pusting av hyperbart oksygen før dykket beskyttet mot hjerteskade (Jorgensen et al., 2013a).

Her ses en rotte som puster 100% oksygen inne i en lufttett boks plassert inne i et trykkammer. Omgivelsestrykket ble økt til 3 atmosfærer og rottene puster da 303 kPa rent oksygen før dykking.

Betydning av funn

Denne studien indikerer at selv den verste form for muskelskadende fysisk aktivitet umiddelbart før dykking ikke fører til økt bobledannelse (Jorgensen et al., 2013b). Sammenholdt med tidligere studier og en nylig publisert studie (Jorgensen et al., 2015), ser det ut til at trening før dykking er trygt, og til og med kan ha en gunstig effekt på utvikling av bobler og trykkfallsyke (Wisloff et al., 2004). Kontrollerte menneskeforsøk gjenstår fortsatt for å undersøke om det er hold i gjeldende retningslinjer om å fraråde fysisk aktivitet før dykking. Videre ser det ut til at økt oksygennivå under dykking kan gi økt risiko for trykkfallsyke (Eftedal et al., 2012; Eftedal et al., 2013), men at risiko for trykkfallsyke kan reduseres med en profylaktisk eksponering av hyperbart oksygen før dykking (Jorgensen et al., 2013a). Hyperbar oksygen-profylakse for å redusere risikoen for trykkfallsyke er ikke testet på mennesker, men kan tenkes å ha en gunstig effekt i gitte situasjoner, for eksempel før nødevakuering fra ubåt eller undervannsinstallasjoner, før høydeeksponering, og før tøffe kommersielle og militære dykk. Ved å forstå hvordan fysisk aktivitet, høye nivå av oksygen og bobledannelse kan påvirke utviklingen av trykkfallsyke, kan man utvikle bedre prosedyrer for å redusere både akutte skader og langtidsskader forårsaket av dykking.

 

Arve Jørgensen, Klinikk for Bildediagnostikk, St. Olavs Hospital, Trondheim

Doktorgraden ble utført ved Institutt for Sirkulasjon og Bildediagnostikk ved Norges Teknisk-Naturvitenskapelige universitet (NTNU) i Trondheim og University of Texas Medical Branch (UTMB), USA. Hovedveiledere var professor Alf O. Brubakk og assisterende professor Philip P. Foster. Biveiledere var forsker Ingrid Eftedal og professor Ulrik Wisløff

 

 

Referanser

  • Claybaugh JR & Lin YC. (2004). Exercise and decompression sickness: a matter of intensity and timing. J Physiol 555, 588.
  • Dujic Z, Valic Z & Brubakk AO. (2008). Beneficial role of exercise on SCUBA diving. Exerc Sport Sci Rev 36, 38-42.
  • Eftedal I, Jorgensen A, Rosbjorgen R, Flatberg A & Brubakk AO. (2012). Early genetic responses in rat vascular tissue after simulated diving. Physiological genomics 44, 1201-1207.
  • Eftedal I, Ljubkovic M, Flatberg A, Jorgensen A, Brubakk AO & Dujic Z. (2013). Acute and potentially persistent effects of scuba diving on the blood transcriptome of experienced divers. Physiological genomics.
  • Foster PP & Butler BD. (2009). Decompression to altitude: assumptions, experimental evidence, and future directions. J Appl Physiol 106, 678-690.
  • Jorgensen A, Ekdahl A, Havnes MB & Eftedal I. (2015). Eccentric exercise 48 h prior to simulated diving has no effect on vascular bubble formation in rats. Eur J Appl Physiol 115, 597-605.
  • Jorgensen A, Foster PP, Brubakk AO & Eftedal I. (2013a). Effects of hyperbaric oxygen preconditioning on cardiac stress markers after simulated diving. Physiological reports 1, e00169.
  • Jorgensen A, Foster PP, Eftedal I, Wisloff U, Paulsen G, Havnes MB & Brubakk AO. (2013b). Exercise-induced myofibrillar disruption with sarcolemmal integrity prior to simulated diving has no effect on vascular bubble formation in rats. Eur J Appl Physiol 113, 1189-1198.
  • Madden LA & Laden G. (2009). Gas bubbles may not be the underlying cause of decompression illness - The at-depth endothelial dysfunction hypothesis. Med Hypotheses 72, 389-392.
  • Stepanek J & Webb JT. (2008). Physiology of Decompressive Stress. In Fundamentals of Aerospace Medicine, 4 edn, ed. Davis JR, Johnson R, Stepanek J & Fogarty JA, pp. 46-82. Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia.
  • Vann RD, Butler FK, Mitchell SJ & Moon RE. (2011). Decompression illness. Lancet 377, 153-164.
  • Wisloff U, Richardson RS & Brubakk AO. (2004). Exercise and nitric oxide prevent bubble formation: a novel approach to the prevention of decompression sickness? J Physiol 555, 825-829.
  • Yellon DM & Downey JM. (2003). Preconditioning the myocardium: from cellular physiology to clinical cardiology. Physiol Rev 83, 1113-1151.

Mer om emnene