Эффекты лечения газовыми смесями, содержащих аргон, ксенон и криптон

Эффекты лечения газом аргон ксенон и криптон
 

Внутренняя среда организма дышащих воздухом животных и человека, пожалуй, наиболее открыта для газообразных веществ, вследствие того, что их транспорт в тканях происходит, главным образом, путем простой диффузии. В связи с этим газы в первую очередь и определяют свойства внешней среды, являющейся основой биосферы Земли. Особенности строения и проницаемости биологических мембран (которые всегда проницаемы для газов, в большей или меньшей степени) дают основания утверждать, что изменения состава или физических характеристик газовой среды обитания приводят к изменению состава и физических характеристик внутренней среды организма.

Этот тезис подтверждается физиологией дыхания на протяжении всей ее истории – со времени создания «Пневматического института» в 17 веке и до наших дней. Подвижность физических характеристик внутренней среды организма, связанных с изменением газового состава и давления, открывает большие возможности для коррекции самых разных патологических состояний, достижения тренировочных эффектов, для фундаментальных физиологических исследований. Эффекты изменения давления и состава дыхательных газовых сред изучает гипербарическая физиология, являющаяся частью эволюционной и экстремальной физиологии. В первой половине прошлого века профессор кафедры фармакологии ВМА Николай Васильевич Лазарев впервые выдвинул теорию биологического действия химически индифферентных газов. В своих исследованиях Н.В. Лазарев, видимо, руководствовался липидной теорией наркоза, согласно которой всякое химически индифферентное вещество, растворимое в липидах клеточной мембраны, является наркотиком, не позволяющим нервным клеткам генерировать импульсную активность при раздражении, или угнетающим синаптическую передачу (Дарбинян, Головчинский, 1972). Чем выше коэффициент распределения этого вещества между липидами и водой (жиро-водный коэффициент Мейера-Овертона) (Таблица 1), тем сильнее его наркотические свойства (Meyer, 1899).

 Липидная теория впоследствии получила развитие в положениях мембранной теории (Bernstein, 1912) и теории критического объема, базирующейся на представлениях о том, что наркоз происходит в результате растворения инертного газа в гидрофобной части мембраны, что вызывает ее расширение и, по достижении 0,4%-го увеличения объема, приводит к нарушению ионной проницаемости (Miller et.al., 1971). Несмотря на серьезные возражения (Halsey, 1986; Беннет, 1988), гипотеза критического объема остается в настоящее время наиболее общепринятой из всех, объясняющих на клеточном уровне происхождение гипербарического наркоза. Сравнивая экспериментальные результаты, полученные на мышах в гипербарических средах, Лазарев предположил, что на глубинах 400-500 м работоспособности человека будет серьезно мешать наркотическое действие гелия. Поскольку аргон по силе наркотического действия (начинает проявляться при парциальном давлении 1000-1500 мм.рт.ст.) превосходит даже азот воздуха, исследования аргона, как компонента газовой среды обитания были приостановлены, в связи с кажущейся бесперспективностью его использования в водолазном деле – единственной в то время отрасли, где изучались физиологические эффекты газов-разбавителей кислорода. Однако предположение великого ученого о том, что адаптации человека к условиям высокого давления будет препятствовать лишь наркотическое действие инертных газов, оказалось не совсем верным. В последствии так и не удалось в эксперименте получить наркотических эффектов неона и гелия. А те проявления, которые ученые наблюдали у человека и животных, начиная с глубины 200 метров водного столба при дыхании кислородно-гелиевой смесью, имели иную природу и получили название “нервный синдром высоких давлений” (НСВД) (Brauer,1975; Fructus, Agarate, 1969). Первым очевидным признаком НСВД является статический тремор конечностей, частота которого близка к таковой при болезни Паркинсона, а также при холодовой дрожи или треморе, вызванном алкогольной интоксикацией (Halsey, 1986). При дальнейшем повышении давления наблюдается снижение внешних проявлений эмоциональных реакций (Зальцман, Кучук, Гургенидзе, 1979) и расстройство координации движений (Brauer, 1975). Кроме того, в данных условиях акванавты испытывали головокружение, тошноту и состояние, близкое к потере сознания. Умственная и физическая работоспособность в гипербарической гелиокислородной среде при давлениях свыше 30 кгс/см2 была снижена (Lemaire, Charpy, 1977; Смолин, 1968). 

Эффекты «глубинного» опьянения и НСВД не только являются феноменами различной природы. Они, по-видимому, носят характер взаимной противоположности с точки зрения биофизики. Это противопоставление подтверждается хорошо известным феноменом реверсии анестезии высоким давлением (Dluzewski, Halsey, Simmonds, 1983; Smith, Dodson, Miller, 1984) и может быть объяснено с точки зрения гипотезы о физиологической роли фазового перехода биологических мембран, рассматривающей значение для жизнедеятельности клетки фазовых переходов липидов (тогда как традиционно фазовое состояние мембраны принято ассоциировать со свойствами мембранных белков). Согласно этой гипотезе,  фазовый переход может играть ключевую роль в механизме синаптического экзоцитоза. При этом точка «плавления» мембраны, то есть температура перехода от твердого состояния мембраны (гель) к жидкому (жидкий кристалл), является переменной, зависящей от многих факторов. В частности, повышение гидростатического давления ведет к увеличению температуры фазового перехода, а общие анестетики смещают точку «плавления» мембраны в сторону более низких температур (Харакоз, 2001).

Руководствуясь вышесказанным, ученые стали предпринимать попытки нивелировать симптомы НСВД, добавляя в кислородно-гелиевую среду более тяжелые инертные газы (проявляющие, как известно, свойства местных анестетиков). Небезуспешными оказались попытки бороться с НСВД путем добавления аргона (Павлов, 2001), который в связи с этим снова перестал быть лишь уделом инженерной науки, однако, наибольшего успеха в этом отношении удалось добиться при погружениях в барокамере до 701 метра водного столба на кислородно-водородно-гелиевых газовых смесях, отличающихся, правда, высокой пожаро-взрывоопасностью.

В настоящий момент инертные газы нашли свое применение не только в водолазной практике. Положительные физиологические эффекты практически всех инертных газов все чаще используются в медицине. Так, использование кислородно-гелиевых смесей  ингаляционным аппаратом   эффективно при лечении ряда заболеваний органов дыхания и сердечно-сосудистой системы, реабилитации после переохлаждения и физнагрузок (Barach, 1935; Orr, 1988); а применение кислородно-аргоновых гипоксических смесей повышает резистентность организма к гипоксической гипоксии и улучшает сон после психофизических нагрузок (Шулагин, Дьяченко, Павлов, 2001). С помощью ксеноновых смесей возможна терапия бессонницы, неврозов различной этиологии, реактивных и абстинентных состояний, снижения болевой чувствительности и др. (Буров и др., 2000; Наумов и др., 2002).

Особый интерес для практической медицины представляет свойство инертных газов проявлять наркотический эффект. По силе наркотического эффекта инертных газы были выстроены Н.В. Лазаревым в соответствии с убыванием коэффициента Мейера-Овертона в ряд: криптон, аргон, азот, неон, водород, гелий. Если гелий не вызывает наркоза даже при давлении в 100 атмосфер, то при применении аргона наркоз наступает уже при 16-18 атмосферах, а при использовании криптона – при 3,5 атмосферах. Это данные привели профессора Лазарева к выводу, что ксенон должен вызывать наркоз при обычном атмосферном давлении, что было подтверждено в 1946 г. как в экспериментах самого Лазарева (Лазарев, 1941), так и в экспериментах американских ученых J.Lawrence и W.F.Loomis (Lawrence et al., 1946). Исходной датой в истории клинического применения ксенона в качестве анестетика считается 1951 год, когда американцы S.Cullen и E.Gross апробировали ксеноновый наркоз на двух пациентах (Cullen et al., 1951) . В России первая попытка ксенонового наркоза была предпринята в 1962 году Л.Н.Буачидзе и В.П.Смольниковым (Буачидзе, Смольников, 1962). С 1988-1990 гг. участились сообщения об анестезии ксеноном. В 1997 г. состоялась международная встреча ведущих специалистов по ксенону в Италии. Проблеме ксеноновой анестезии было посвящено специальное заседание на 10-м Европейском конгрессе анестезиологов во Франкфурте-на-Майне. Материалы по экспериментальным и клиническим исследованиям ксенона обсуждались на 6-м и 7-м съездах анестезиологов России, были включены в программу 5-го ежегодного симпозиума ассоциации анестезиологов Германии (г.Ульм, 2000) и конференции во Франции (Париж, 2000). (Буров и др., 2000). В 2002 г. в рамках съезда «Новые медицинские технологии» проведен семинар «Ксенон в медицине». Наиболее полный обзор физико-химических свойств ксенона, способов его производства, фармакокинетики, фармакодинамики, влиянии на организм человека и животных, показаний и противопоказаний использования ксеноновой анестезии представлен в монографии Бурова Н.Е., Потапова В.Н. и Макеева Г.Н. «Ксенон в анестезиологии. Клинико-экспериментальные исследования» (Буров и др., 2000).

На сегодняшний момент ксенон является лучшим анестетиком. Он не токсичен, не имеет противопоказаний, обладает более мощными анестезиологическими свойствами, чем имеющиеся средства, рекомендован пациентам с высокой степенью операционного риска, характеризуется быстрым выходом из наркоза. Однако его повсеместное использование в практической медицине ограничивается его высокой стоимостью. Существует два пути удешевления:
а) разработка и внедрение технологий рециклинга;
б) поиск более дешевого анестетика, аналогичного ксенону по наркотическим свойствам.
Как следует из таблицы 1, наиболее близкими к ксенону по анестетическим свойствам газами являются криптон и радон. Хотя радон должен проявлять еще более сильный наркотический эффект, чем ксенон, исходя из теории Мейера-Овертона, однако его использование невозможно из-за повышенной радиоактивности этого газа. Таким образом, более дешевой альтернативой ксенону может быть только криптон. Его стоимость в 15 раз меньше, чем ксенона, но его биологические эффекты пока слабо изучены. 
Отмечено ингибирование роста плесени при нормальном и повышенном давлении криптона. Давление криптона 55-60 кгс/см2 вызывало обратимую блокаду проводимости по седалищному нерву и ингибирование активного транспорта ионов Na+ у лягушки. В исследованиях на людях при дыхании 50% и 80% кислородно-криптоновой смесью испытуемые отмечали головокружение, дискомфорт, изменение голоса. В опытах на кроликах и мышах при нормальном давлении 76-80% кислородно-криптоновой смеси были установлены признаки наркоза, однако при дыхании мышей 50% кислородно-криптоновой смесью наркотического эффекта обнаружено не было. (Зальцман, Кучук, Гургенидзе, 1979).
 Сопоставив физические свойства ксенона и криптона, можно предположить, что использование криптона при различных давлениях может дать нам целый спектр положительных эффектов для использования в медицине: от лечения и реабилитации различных стрессовых состояний при нормальном барометрическом давлении до анестезии, не уступающей по силе и положительным свойствам ксеноновой, при повышенном давлении. 
В связи с этим, абсолютно ясными становятся два направления исследования влияния криптона на организм: 
1. Исследование свойств нормобарических газовых смесей и сред, содержащих криптон:
а) определение отсутствия их токсического влияния на организм либо степени обратимости их неблагоприятных эффектов,
б) обоснование эффективности их применения для лечения различных заболеваний.
2. Исследование свойств газовых смесей и сред, содержащих криптон, при повышенном давлении:
а) изучение возможных неблагоприятных, в том числе отдаленных, последствий применения этих смесей,
б) определение эффективности анестезии и безопасной длительности ее использования.

Нами были проведены предварительные эксперименты по сравнительному анализу влияния нормобарических газовых сред, содержащих криптон и ксенон, на организм животных. 

 Исследование проведено на половозрелых крысах-самцах линии Wistar, которых подвергали экспозиции в воздушно-криптоновой и воздушно-ксеноновой средах в течение суток. Животных помещали в барокамеру БЛ-3, объемом 600 л, снабженную системой регенерации. Газовые среды содержали 30 % Xe или Kr и 70% воздуха при абсолютном давлении 0,13 МПа, среда в барокамере была нормоксической. В качестве контроля использовали животных, инкубированных в барокамере в воздушной среде. Забор крови осуществляли через час после окончания воздействия. Содержание гормонов определяли твердофазным иммуноферментным методом (ELISA) с использованием тест-систем «АлкорБио» (Россия) и «DRG» (США) на автоматическом анализаторе «Alisei» (Италия). Оценку биохимических показателей производили на спектрофотометре «Becman» (США) с использованием коммерческих диагностических наборов «Ольвекс» (Россия). Формулу крови определяли по общепринятой методике, результаты обрабатывали статистически. 

Результаты, представленные в табл.2 показывают, что и криптон, и ксенон оказывают влияние на морфологию крови крыс, а вчастности на лейкоцитарную формулу крови.

Как ксенон, так и криптон (в большей степени) вызывают увеличение числа нейтрофилов. Подсчет соотношения количества нейтрофилов разной степени зрелости показал, что воздушно-криптоновая среда не меняет данного соотношения, тогда как в воздушно-ксеноновой среде происходит сдвиг в сторону более зрелых нейтрофилов (Табл.3). (ЯИ = (ММ+ПЯН)/СЯН, где ММ – метамиелоциты, ПЯН – палочкоядерные нейтрофилы, СЯН – сегментоядерные нейтрофилы) (Зайчик, Чурилов, 2002).

Уровень лимфоцитов при инкубации в обеих средах, а также моноцитов при инкубации в воздушно-криптоновой среде достоверно снижается, а число плазменных клеток остается неизменным. 

Кроме того, как криптон, так и ксенон в среде вызывают значительное повышение величины лейкоцитарного индекса интоксикации (ЛИИ) (Табл.3), рассчитываемого по формуле Островского, по сравнению с контролем (в числителе - сумма процентного содержания клеток миелоидного ряда, а в знаменателе сумма остальных клеток белой крови: (СЯН + ПЯН + ЮН + М + ПК)/(ЛЦ+ МЦ + ЭФ + БФ),где СЯН – сегментоядерные нейтрофилы, ПЯН – палочкоядерные нейтрофилы, ЮН – юные нейтрофилы, М – миелоциты, ПК – плазменные клетки, ЛЦ – лимфоциты, МЦ – моноциты, ЭФ – эозинофилы, БФ – базофилы). (Островский, Алимов, Мащенко, 2003).

При исследовании влияния воздушно-ксеноновой и воздушно-криптоновой

сред на гормональный статус животных обнаружено, что они оказывают сходное воздействие на изменение уровня гормонов, вызывая повышение концентрации кортизола и прогестерона и снижение концентрации общего тироксина (Т4) и тестостерона в крови крыс (Рис.1).

Действие криптона и ксенона на биохимию крови различно (Табл. 4)

Если в случае с криптоном наблюдается тенденция к снижению уровней аспартатаминотрансферазы (АСТ) и аланинаминотрансферазы (АЛТ), то ксенон в среде вызывает повышение уровней этих ферментов. Кроме того, ксенон также вызывает некоторое снижение коэффициент Ритиса. ВКрСр достоверно снижает уровень глюкозы и мочевины в крови крыс. Следует отметить достоверное снижение уровня a-амилазы в крови крыс после инкубации в ВКсСр. Достоверных изменений остальных показателей в эксперименте не зарегистрировано, однако отмечена тенденция к снижению уровней лактата в ВКрСр и ВКсСр и увеличению уровня кальция в ВКсСр. 

То есть, криптон и ксенон вызывают изменения метаболизма животных, однако пока неизвестно, насколько физиологически значимыми являются эти изменения. Кроме того, инертные газы быстро выводятся из организма, и, следовательно, эти эффекты могут быть легко обратимыми. В некоторых случаях, действие криптона на метаболизм крови отлично от действия ксенона. Однако полученные данные являются предварительными и не пригодны для формулирования общих заключений.

Итак, на наш взгляд в настоящий момент необходимо проведение широкомасштабных исследований, в результате которых предполагается: 
1) выяснить механизмы действия криптона (и инертных газов в целом) на молекулярно-клеточном уровне;
2) подтвердить предполагаемое отсутствие токсического влияния наркотических  концентраций криптона, либо выявить возможные неблагоприятные эффекты применения этого газа, глубину и степень обратимости данных эффектов;
3) обосновать методики клинического и лечебного применения криптоносодержащих смесей и сред (концентрация газа, величина давления, длительность воздействия) для лечения каждого конкретного заболевания и анестезии, а также, в случае существования неблагоприятных последствий – комплекс мер и средств, позволяющие снизить эти эффекты (например, при длительной анестезии – профилактика пролежней и синдрома сдавления);


4) разработать медико-технические требования к созданию нового поколения средств и методов коррекции нервно-психического состояния, управления болевым синдромом и общего обезболивания, которое можно проводить в сочетании с патогенетическим лечением всех видов аэроэмболий и аэротромбов под повышенным давлением (при травмах, боевых действиях, терактах). 

Общая компановка такого нового комплекса барооперационных длительного пребывания под давлением с системами жизнеобеспечения, медаппаратурой и специальной наркозной аппаратурой показана на рисунке 2.

Особого внимания заслуживает первый пункт - выяснение механизма действия криптона. Первыми шагами на пути к этой цели будут:
1) изучение влияния криптона (и других анестетиков) на мембраны: их целостность, соотношение компонентов, текучесть и т.д.,
2) исследование меланофорной реакции личинок шпорцевой лягушки на криптон в среде (меланофоры имеют эктодермальное происхождение, а значит, не связаны с нервной системой),
3) исследование наркотических эффектов в онтогенезе и филогенезе на холоднокровных при различных температурах окружающей среды и на теплокровных при различном давлении, что позволит однозначно связать наркотический эффект с температурой «плавления» мембраны. 

Выяснение механизма действия инертных газов на молекулярно-клеточном уровне может привести нас к пониманию механизмов наркоза в целом, поскольку на настоящий момент существует множество различных гипотез его возникновения. И в недалеком будущем мы можем прийти к пониманию основ создания единой теории наркоза, включающей в себя и дополняющей теорию фазовых переходов липидов, что может, в свою очередь, приблизить к решению целого ряда фундаментальных проблем теоретической биологии и практической медицины.