Penelitian Toksisitas Oksigen

Selama menyelam dengan oksigen hiperbarik di ruang telemetri radio penelitian hiperbarik ini, sebuah kamera video yang tertutup dan dipasang di atas port jendela memantau aktivitas tikus yang berperilaku bebas saat disegel di dalam ruang hiperbarik dan menampilkan fisiologinya (aktivitas otak, pernapasan, detak jantung, dan suhu tubuh) di layar komputer di dekatnya. COURTESY JAY DEAN

Jay Dean, PhD, adalah seorang profesor farmakologi molekuler dan fisiologi di University of South Florida (USF), di mana beliau mempelajari efek oksigen, karbon dioksida, dan tekanan barometrik pada sistem saraf pusat mamalia. Penelitiannya telah meningkatkan pemahaman kita tentang kejang akibat keracunan oksigen serta tanda dan gejala peringatan sebelum kejang. Dean dan rekan-rekannya terus berupaya mencegah keracunan oksigen melalui ketosis dan pemberian suplemen.

Apa latar belakang akademis Anda?

Saya menyelesaikan pendidikan sarjana biologi di Central Michigan University dan mendapatkan gelar master di bidang ilmu biologi di Michigan Technological University. Selama program master saya, saya bekerja pada kontrol pernapasan komparatif dengan ular air utara, yang merupakan ular ganas sepanjang 3 kaki (90 cm) yang suka menggigit Anda. Saya mempelajari efek dari suhu dan karbon dioksida yang dihembuskan kembali pada ventilasi dan pengaturan pH darah mereka.

Setelah itu, saya pergi ke Ohio State University untuk meraih gelar doktor untuk melanjutkan studi di bidang kontrol pernapasan komparatif, namun malah berakhir di laboratorium tempat saya melakukan penelitian tentang kontrol saraf terhadap suhu tubuh. Di sanalah saya belajar tentang sistem saraf pusat dan elektrofisiologi untuk mempelajari pensinyalan sel otak. 

Sebagai seorang postdoc, saya kembali mendalami respirasi, yang selalu menjadi minat saya. Di University of North Carolina di Chapel Hill, saya bekerja pada kemoreseptor karbon-dioksida pusat, yang memberi tahu Anda ketika Anda memiliki terlalu banyak karbon dioksida dalam sistem Anda. Akumulasi tersebut merupakan rangsangan utama Anda untuk bernapas. Saya mempelajari neuron yang peka terhadap karbon dioksida dan lokasinya di batang otak mamalia. 

Saat melakukan pekerjaan itu, saya mulai berpikir tentang gas-gas lain dan bagaimana pengaruhnya terhadap otak. Saya membaca tentang bagaimana beberapa gas seperti nitrogen tidak terlalu memengaruhi kita di permukaan laut, tetapi memasukkannya ke dalam tangki selam dan menyelam cukup dalam sambil menghirupnya menimbulkan kekhawatiran tentang narkosis nitrogen. Kita juga biasanya baik-baik saja dengan oksigen, tetapi jika tekanan parsialnya cukup tinggi, jika Anda meningkatkan konsentrasi pecahan (seperti dalam nitrox), atau jika Anda menggunakan oksigen murni, Anda harus khawatir tentang keracunan oksigen pada sistem saraf pusat.

Setelah menyelesaikan studi doktoral dan postdoc, saya mendapatkan posisi fakultas pertama saya di Wright State dan dianugerahi hibah internal yang mendanai pengembangan ruang hiperbarik pertama saya. Saya mengadaptasi alat yang saya gunakan untuk mempelajari efek karbon dioksida pada sel-sel otak untuk digunakan di bawah tekanan tinggi untuk toksisitas oksigen. Itulah cara saya memulai perjalanan saya di dunia kedokteran bawah laut. Pada tahun 2000 saya menerima dukungan finansial dari Program Kedokteran Bawah Laut Kantor Penelitian Angkatan Laut. Saya datang ke USF pada tahun 2006 dan terus bekerja untuk ONR Undersea Medicine.

Peralatan ini mengukur sinyal listrik sel otak
Peralatan ini mengukur sinyal listrik sel otak, yang disebut potensial aksi selama terpapar oksigen hiperbarik. Di kanan bawah foto adalah representasi potensial aksi listrik yang diukur dalam satu sel otak dalam irisan otak (* pada monitor di kanan atas). COURTESY JAY DEAN

Apa yang sedang Anda kerjakan saat ini?

Saya sedang mengerjakan mekanisme dan mitigasi toksisitas oksigen sistem saraf pusat dan mencoba menemukan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan berikut: Mengapa otak tiba-tiba mengalami kejang saat terpapar terlalu banyak oksigen di bawah tekanan? Adakah cara untuk menundanya? Adakah cara untuk memprediksi tingkat paparan oksigen yang membawa Anda ke titik di mana Anda akan mengalami kejang? Dapatkah kita mengidentifikasi penanda fisiologis yang akan memperingatkan kita sebelum kejang dimulai? 

Masalahnya adalah variabilitas yang luar biasa dalam sensitivitas terhadap oksigen hiperbarik dalam hal kapan kejang terjadi antara individu dan dalam individu yang sama dari hari ke hari. Kami tidak tahu mengapa hal itu terjadi. 

Kami bertanya apakah napas hewan pengerat akan memburu sebelum mengalami kejang. Apakah itu mungkin merupakan penanda fisiologis peringatan dini? Jadi kami melakukan percobaan dan mengamati bahwa pernapasan mereka meningkat antara 8 hingga 15 menit sebelum kejang. (Catatan: Komite Perawatan dan Penggunaan Hewan Institusional USF (diakreditasi oleh Asosiasi untuk Penilaian dan Akreditasi Perawatan Hewan Laboratorium Internasional) dan Biro Kedokteran Departemen Pertahanan A.S. menyetujui semua penggunaan hewan).

Sejak saat itu kami telah meneliti hal-hal lain. Kami menemukan bahwa ada peningkatan resistensi elektrodermal, atau resistensi kulit, yang mendahului kejang selama beberapa menit. Denyut jantung cenderung melambat pada awalnya selama penyelaman, dan hal ini mendahului kejang selama beberapa menit pada hewan yang tidak dibius. Penanda lain tampaknya adalah penurunan suhu tubuh, meskipun para juri masih memperdebatkannya. Yang jelas, beberapa perubahan fisiologis ini mendahului dan memperingatkan akan terjadinya kejang.

Kami juga berhasil menunda kejang pada tikus dengan menggunakan ester keton eksogen yang dikembangkan oleh kolega saya Dominic D'Agostino, PhD. Dalam waktu 30 menit, profil darah mereka terlihat seperti telah menjalani diet ketogenik selama seminggu. Mengganti sumber energi utama tubuh Anda yang biasa (glukosa) dengan badan keton tampaknya memiliki beberapa efek pelindung saraf. Misalnya, hal ini mengurangi produksi radikal bebas selama terpapar oksigen hiperbarik. Proses ini menunda kejang dari 300 persen menjadi 600 persen, menciptakan penyelaman yang lebih lama dan lebih aman bagi hewan pengerat. Diet ketogenik akan memengaruhi konsumsi dan pemanfaatan oksigen otak dan melakukan beberapa hal lain yang bersama-sama menunda timbulnya kejang. 


Ke mana penelitian Anda membawa Anda?

Pertanyaan mendasar yang belum terjawab yang membuat kita tidak dapat menargetkan sel yang penting untuk genesis kejang adalah mengetahui dari mana kejang toksisitas oksigen berasal? Bagian otak mana yang terlibat? Penelitian menunjukkan bahwa kejang tampaknya berasal dari beberapa lokasi subkortikal di otak. 

Pada tahun 2019, kami berhipotesis bahwa perubahan kardiorespirasi awal yang abnormal yang mendahului kejang menunjukkan bahwa apa yang disebut "zona pemicu racun lembu" ada di pusat kendali kardiorespirasi batang otak. Zona pemicu ox-tox ini terstimulasi oleh oksigen hiperbarik dalam jumlah besar dan mulai menghasilkan sinyal depolarisasi. Inti pemicu ox-tox lainnya mulai aktif dan kemudian memperkuat dan meneruskan sinyal. Tingkat aktivasi menentukan ukuran dan kompleksitas kejang. Model hewan untuk toksisitas oksigen menunjukkan bahwa kejang yang terjadi cukup kompleks. Kejang dapat berkisar dari yang tidak kentara hingga yang dramatis, tergantung pada seberapa banyak otak diaktifkan. 

Saat ini kami menggunakan radiotelemetri untuk menentukan bagian otak yang diaktifkan selama terjadinya kejang - yaitu menanamkan pemancar dengan kabel yang tertanam untuk mengukur aktivitas otak di berbagai daerah dan aktivitas otot pernapasan. Kami telah mengadaptasi prosesnya sehingga kami dapat menanamkan elektroda jauh di dalam otak, di mana kami pikir inti pemicu racun sapi berada serta di atas korteks motorik, yang menyala saat kejang muncul. 

Studi awal kami menunjukkan bahwa zona pemicu racun sapi di batang otak ini tampaknya menyala beberapa menit hingga puluhan menit sebelum kami melihat aktivitas kejang di korteks motorik atau kejang-kejang fisik. Kami dapat mempelajari hewan yang tidak dikekang, berperilaku bebas, dan tidak dibius dengan modul telemetri radio yang ditanamkan ini. Ini adalah teknik yang ampuh. 

Menunda kejang adalah fokus lain saat ini. Kami menggunakan senyawa untuk menghambat sintesis oksida nitrat, yang bermanfaat dalam menunda kejang. Pertanyaannya adalah apakah hal tersebut dapat diterjemahkan menjadi sesuatu yang dapat disetujui oleh Badan Pengawas Obat dan Makanan AS untuk digunakan. Cawan suci adalah menemukan zat yang bekerja pada hewan dan kemudian dapat disetujui untuk digunakan pada manusia.


Mengapa melakukan penelitian fisiologis pada tikus dan bukan pada manusia?

Penelitian pada hewan sangat penting. Semua yang kita ketahui dalam dunia kedokteran - termasuk kedokteran bawah laut - dimulai dengan penelitian pada hewan, khususnya mamalia. Saya selalu tertarik dengan pertanyaan-pertanyaan mendasar, yang pada awalnya bisa dijawab oleh hewan, tetapi tidak bisa dijawab oleh manusia. Tidak banyak penelitian dasar dalam komunitas medis bawah laut, dan tujuan kami adalah agar pekerjaan kami dapat diterjemahkan ke dalam hewan yang lebih besar dan penyelam manusia. Penelitian pada hewan memiliki peran penting dalam rangkaian peristiwa tersebut, dan saya merasa puas melakukan hal itu dalam karier saya.

tikus di dalam ruang dilengkapi dengan modul radio-telemetri
tikus di dalam ruang dilengkapi dengan modul radio-telemetri
Profesor Jay B. Dean, PhD
Profesor Jay B. Dean, PhD DENGAN HORMAT JAY DEAN

Apa yang Anda suka lakukan saat tidak berada di lab?

Hobi utama saya adalah mempelajari sejarah kedokteran penerbangan selama Perang Dunia II. Saya memberi tahu orang-orang bahwa saya bekerja di kedalaman di bawah tekanan hiperbarik dan oksigen tinggi di siang hari, dan kemudian saya naik ke ketinggian di malam hari dan mempelajari hipoksia, dekompresi, dan ketinggian. 

Fred Hitchcock adalah seorang ahli fisiologi ternama yang mengelola laboratorium kedokteran penerbangan di Ohio State University selama Perang Dunia II dan mempelajari dekompresi bahan peledak di ketinggian. Dia baru saja meninggal ketika saya memulai sekolah pascasarjana di Ohio State. Setelah saya lulus ujian kualifikasi komprehensif, saya pindah ke kantor Fred Hitchcock sebagai profesor emeritus. Dia tidak memiliki keluarga, jadi semua barang-barangnya masih ada di sana. Suatu hari saya membuka lemari dan menemukan sebuah kotak besar yang penuh dengan film, slide, negatif, dan dokumen lainnya. Kemudian, posisi fakultas pertama saya adalah di Wright State, yang bersebelahan dengan WPAFB dan saya mulai menghabiskan hari Jumat di arsip untuk membaca laporan-laporan USAAF Aero Medical Lab yang telah dideklasifikasi. 

Kisah menarik terkait penyelaman dari Perang Dunia II yang saya temukan adalah perkembangan penggunaan peralatan oksigen penerbangan untuk menyelam dalam keadaan darurat di laut. Para penerbang Amerika tenggelam sebelum mereka dapat dengan aman melarikan diri dari pesawat yang dibuang di laut selama perang. Laboratorium Medis Aero Angkatan Udara Angkatan Darat AS di Wright Field menguji untuk melihat apakah pilot dapat menggunakan masker oksigen penerbangan dan botol oksigen berjalan sebagai peralatan scuba untuk memungkinkan evakuasi yang aman dari pesawat yang tenggelam, dan itu berhasil!

Saya akhirnya mulai berkeliling negara untuk berbicara tentang kedokteran penerbangan. Komunitas medis kedirgantaraan sangat antusias dengan perspektif sejarah. Saya baru saja memberikan ceramah di Reno, Nevada, pada pertemuan gabungan Asosiasi Medis Dirgantara dan Masyarakat Medis Bawah Air dan Hiperbarik. Saya menjadi bagian dari diskusi panel tentang menaklukkan lingkungan penghalang tekanan, dan saya berbicara tentang penelitian yang dilakukan selama Perang Dunia II. 

Ada banyak tumpang tindih pada orang-orang yang bekerja di bidang kedokteran bawah laut dan yang terus bekerja dalam penelitian di dataran tinggi, dan sebaliknya. 

© Penyelam Siaga - Q1 2023

Indonesian