Базовая концепция:
В зависимости от физико-химических свойств кислорода и различных сочетаний инертных газов в смесях, а также методов их применения появляется возможность целенаправленно воздействовать на разные уровни регуляции жизненно важных функций организма.
Специальные смеси кислорода и инертных газов (гелия, аргона, криптона, ксенона) проявляют физиологическую активность в условиях нормального барометрического давления и могут найти широкое применение в качестве новых немедикаментозных средств оздоровительного и лечебного воздействия на организм человека.
Достижения последних десятилетий в области гипербарической физиологии и водолазной медицины показывают, что при разработке новых методов и средств дыхания искусственными газовыми смесями открывается возможность целенаправленного применения физико-химических свойств и физиологического действия на организм дыхательных газовых смесей на основе индифферентных газов разбавителей кислорода гелия, аргона, азота, водорода, криптона и ксенона. Особый интерес в этом отношении представляет гелий. Его физические свойства (плотность почти в 7 раз меньшая, чем у азота, основного газа разбавителя кислорода в воздухе, теплопроводность в 5,8 раза более высокая, чем у азота и растворимость в жирах в 4,5 раза меньшая, чем у азота при нормальном барометрическом давлении) формируют при дыхании отличные от воздуха физиологические эффекты кислородно-гелиевых дыхательных газовых смесей (ДГС).
Особенно выражен этот эффект в условиях повышенного давления. Это повышение тембра голоса, объясняемый изменением скорости звука в гелии, сдвигающим его в область высокочастотного спектра. Изменение зоны и уровня комфортных температур — 30-310С +0,50. Это развитие на глубинах более 200 метров нервного синдрома высоких давлений (НСВД) ( Н.Д. Лазарев 1942, Л.А.Орбели 1944, В.В. Смолин 1968, Г.Л. Зальцман 1961, Р. Брауэр, К. Фрюктюс 1969, П. Беннетт 1993, Б.Н.Павлов 1998).
Примечательно, что метод применения кислородно-гелиевых ДГС показал свою высокую эффективность при лечении ряда заболеваний органов дыхания и сердечно-сосудистой системы при проведении ингаляционного наркоза и в послеоперационном периоде (А. Барач 1934, Г.В. Трошихин 1989, Е.Г. Костылев 1991, Б.Н. Павлов 1995, Черкашин Д.В. 1998, Крысин Ю.С. 1998, Куценко М.А., Чучалин А.Г. 1999, и др.).
Впервые теоретически обосновал терапевтический эффект гелия и практически доказал его эффективность американский врач А. Барач (Barach A.L., 1934) и, учитывая высокую теплопроводность гелия, провел первые опыты с теплой кислородно-гелиевой смесью, но не описал сравнительных результатов ее применения. В результате все последующие годы вплоть до середины 90-х годов все исследователи и врачи применяли в медицинских целях гелиевые смеси комнатной температуры, из-за чего результаты его применения были не всегда однозначны.
Сотрудниками Института медико-биологических проблем (ИМБП) впервые научно обосновано применение кислородно-гелиевых смесей, подогретых до температур 70-90°С, значительно превышающих термонейтральный диапазон, а также разработаны средства применения этих смесей в медицинских целях. (Павлов Б.Н. с соавт. 1995).
Гелий обладает чрезвычайно высокой проникающей способностью и теплоемкостью, низкой растворимостью в жирах и воде, способствует быстрой элиминации наркотических веществ из организма, Гелий обеспечивает увеличение объемной скорости движения газовой смеси, улучшает газообмен, нормализует газовый состав крови и кислотно-щелочное равновесие, уменьшает работу дыхательной мускулатуры и оптимизирует деятельность дыхательного центра.
Таким образом, подогретая кислородно-гелиевая газовая смесь не только по сравнению с воздухом, но и гелийсодержащей дыхательной смесью термонейтральной или комнатной температуры улучшает диффузию кислорода через альвеоло-капиллярную мембрану, снижает сопротивление дыханию за счет меньшей плотности гелия, расслабляет гладкую мускулатуру, уменьшая нагрузку на нее при этом происходит и мощное тепловое и теплорефлекторное воздействие на организм.
Особое внимание привлекает способность кислородно-гелиевой смеси оптимизировать температурный режим организма. Подогретая кислородно-гелиевая смесь равномерно согревает паренхиму органов грудной полости быстро снимает переохлаждение организма, а в комфортном диапазоне температур для воздуха, эффективно снижает температуру тела, в том числе при воспалительных заболеваниях.
Эти эффекты связаны с высокой теплопроводностью и огромной диффузионной способностью гелия.
Такое сочетанное действие дает возможность применять принципиально новые методы лечения больных с инфекционными заболеваниями легких, бронхиальной астмой, хроническими обструктивными бронхитами, Этот метод впервые эффективно применен при лечении одного из опасных симптомов легочных заболевний — развитии острого гиперкапнического состояния. (Куценко М.А., Чучалин А.Г. 1999, и др.).
Уникальные свойства гелия обусловили эффективность аппаратов серии «Ингалит», в которых на основе гелия создаются требуемые кислородно-гелиевые и другие газовые смеси. В смесях автоматически поддерживаются любые задаваемые значения концентрации кислорода (от 10 до 90%), а также гелия, азота, аргона. При этом температура регулируется от 20 до 900С. Нагретая кислородно-гелиевая дыхательная смесь подается через маску пациенту.
Эффективность использования подогреваемой кислородно-гелиевой смеси для лечения различных заболеваний подтверждена клинической практикой в ряде ведущих клиник России:
- — НИИ пульмонологии;
- — Военно-медицинской академии (г. Санкт-Петербург);
- — НИИ экспериментальной медицины МО РФ.
Кроме этого учеными ИМБП разработана усовершенствованная методика получения кислорода из твердых кислородосодержащих соединений. Ноу-Хау является состав твердого носителя кислорода, который по себестоимости в несколько раз дешевле используемых сегодня. Разработана принципиально новая схема получения и использования кислорода («Термохимический компрессор») как для зарядки малолитражных баллонов, так и для непрерывного снабжения кислородом наркозных аппаратов и различных потребителей кислорода при нормальном давлении.
Эти технологии позволили создать помимо аппаратов «Геофарм» и «Ингалит» аппараты получения кислорода «Нерпа» и «Тополь».
В целом на основании этих научных исследований и технологических разработок сформулирована стратегия их внедрения в области экстремальной медицины и здравоохранения.
Эта стратегия подразумевает конструирование, создание клинические испытания и внедрение этой аппаратуры для обеспечения трех этапов профилактики, лечения и реабилитации населения и спецконтингента.
Первый этап — применение аппаратуры в домашних условиях. Основные свойства: эффективность, простота, безопасность эксплуатации, доступная цена.
Второй этап — применение аппаратуры в системе служб скорой помощи, санитарной авиации, медицинских подразделений МЧС, Минобороны и спортивной медицины. Основные свойства: компактность и пожаровзрывобезопасность, транспортируемость любым видом транспорта, простота обслуживания в полевых условиях, высокая эффективность при неотложных состояниях.
Третий этап — применение аппаратуры в стационарных условиях, профилактических и реабилитационных центрах и клиниках. Основные свойства: высокая эффективность при лечении неотложных состояний, хронических заболеваниях, экономичность в эксплуатации и простота обслуживания.
Для практической реализации этого плана внедрения в СКБ ЭО при ГНЦ РФ ИМБП, главный конструктор Логунов А.Т., разработаны, созданы и проходят клинические испытания опытные образцы двух групп аппаратуры.
Группа 1. Аппараты серии «Ингалит» — усовершенствованные модели аппарата «Геофарм». Имеют три модификации в соответствии с планом внедрения. Аппараты патентоспособны. Метод создания искусственных газовых смесей для лечения получил диплом и серебряную медаль на 27 международной выставке новых технологий в Женеве в 1999 году, а также серебряную медаль на выставке «Спорт 2000».
Группа 2. Аппараты серии «Нерпа» и «Тополь» патентоспособны, прошли испытания в боевых условиях, поставлены на снабжение в МО и обеспечивают реализацию трех этапов в соответствии с планом внедрения. Аппарат «Тополь» награжден дипломом и серебряной медалью Международного салона промышленной собственности «Архимед 2000».
Результаты собственных экспериментов полученные в последние годы позволяют говорить о существовании физиологического действия аргона на организм при нормальном барометрическом давлении, отличающегося от биологического наркотического действия аргона, начинающего проявляться при избыточном давлении более 20 м вод. ст. Такое действие аргона подтверждается и в экспериментах с размножением гидр в воде, насыщенной 15% кислородно-азотной и кислородно-аргоновой смесями. Показано, что аргон статистически достоверно увеличивает как образование почек, так и формирование взрослых особей (Беляев А.Г. 2000).
В исследованиях с участием человека при нормальном барометрическом давлении определено, что потребление кислорода при выполнении физической нагрузки в гипоксических аргон-содержащих смесях больше на 6-8%, чем в гипоксических азотных смесях. Увеличенные затраты энергии на вентиляцию легких в более плотной и вязкой аргон-содержащей смеси не объясняют увеличение потребления кислорода на 6-8 %. (Шулагин Ю.А., Дьяченко А.И., Павлов Б.Н. 2000).Суть нашей концепции о физиологической активности “метаболически индифферентных (в т. ч. инертных) газов” заключается в том, что индифферентный газ (в нашем случае — аргон) влияет на процесс обмена веществ в тканях организма. Об этом свидетельствует изменение активности дыхательных ферментов СДГ и НАДН-ДГ, выражающееся в их более высокой активации в аргонсодержащей гипоксической среде по сравнению с такой же по составу кислорода азот-содержащей смесью. (Вдовин А.В., Ноздрачева Л.В., Павлов Б.Н. 1998). В других экспериментах сравнительные исследования летальности, потребления О2 и выделения СО2 крысами в гипоксических кислородно-азотных и кислородно-азотно-аргоновых средах при нормальном барометрическом давлении подтверждают тот факт, что аргон прямо участвует в повышении резистентности организма к гипоксической гипоксии. (Павлов Б.Н., Солдатов П.Э., Дьяченко А.И. и др. 1997). Совместно с А.И.Дьяченко предложена следующая гипотеза о возможном механизме влияния аргона на потребление кислорода и эффективность газообмена в условиях гипоксии. Известно, что для описания широкого класса ферментативных процессов, в том числе зависимости потребления кислорода от его напряжения в ткани, можно пользоваться формулой Михаэлеса — Ментена (Блантер Б.И. 1980):
А0 · Р
Ак = ————,
Р*+ Р
где Ак — количество кислорода, потребляемого в единице объема ткани в единицу времени;
Р — парциальное давление (напряжение) кислорода в ткани;
Р* — константа Михаэлеса (~ 1,5 мм рт. ст.).
В условиях тканевой гипоксии зависимость потребления кислорода от парциального давления сказывается на венозном конце тканевого цилиндра Крога.
Если в аргоновой среде снижается Р*, то снижается и объем участков ткани с пониженным потреблением кислорода, т. е. в условиях гипоксии аргон увеличивает потребление кислорода тканями. По-видимому, также увеличивается количество вырабатываемой АТФ. Увеличение количества АТФ и уменьшение объема «мертвых углов» тканевых цилиндров должно привести к повышению переносимости гипоксии. Таким образом, данная гипотеза объясняет основные полученные экспериментальные данные о действии аргона на организм человека и животных. Исследования влияния острой гипоксической гипоксии на организм, в которых газ разбавитель кислорода азот был заменен на аргон, проведены впервые.
Еще одной нашей гипотезой является гипотеза о газовом молекулярно — клеточном «массаже», суть которого заключается в периодическом, с различным интервалом времени, процессом противодиффузии в клетках и тканях организма молекул индифферентных газов при дыхании сменяемыми дыхательными газовыми смесями с различным содержанием кислорода и индифферентных газов. По нашему мнению одновременные, периодически сменяемые процессы сатурации и десатурации разными газами клеток и тканей, в которых происходит физико- химическое взаимодействие диффундирующих на встречу друг другу молекул разных индифферентных газов, с атомами, молекулами, органеллами, синапсами и мембранами клеток, сопровождается целым рядом физиологических сдвигов — изменением осмотического давления, порогов возбудимости клеток, микрокровотока и т.д., что в конечном итоге может привести к повышению резистентности организма. Часть планируемых на будущее экспериментов будет непосредственно посвящена проверке этой гипотезы.
Отдельным направлением исследований посвященных влиянию на организм кислородно-гелиевых и кислородно-аргоновых дыхательных смесей является определение эффектов их воздействия на наследственный аппарат. Для этого необходимо провести эксперименты в которых будут получены четыре поколения мышей и исследованы генетические последствия после жизни и размножения животных в этих дыхательных средах. Эти опыты позволят представить документы в Фармкомитет Минздрава России для сертификации гелия и аргона в смесях с кислородом в качестве лекарственных средств и использовать их при лечебных процедурах у беременных и новорожденных детях.
Кроме этого, по литературным данным ( J. Artusio 1954, Г.Л.Зальцман 1970 и др.) показано, что кислородно-ксеноновая газовая смесь с содержанием ксенона 80% была применена при нормальном барометрическом давлении в анестезиологической практике. При этом отмечалась удовлетворительная мышечная релаксация, отсутствие сознания и болевой реакции при адекватной гемодинамике и дыхании. Полное восстановление сознания происходило через 3-5 минут после прекращения дыхания кислородно-ксеноновой газовой смесью. Широкое распостранение этого вида обезболивания сдерживается с одной стороны малой информированностью анестезиологов, с другой достаточно большой ценой этих редких газов.
В заключение можно сказать о том, что специальные смеси кислорода и инертных газов (гелия, аргона, криптона, ксенона) проявляют физиологическую активность в условиях нормального барометрического давления и могут найти широкое применение в качестве новых немедикаментозных средств оздоровительного и лечебного воздействия на организм человека, а дальнейшие исследования этих смесей позволят решать вопрос о новом классе лекарств не имеющем, на данном этапе исследований, противопоказаний.
Литература:
- Беляев А.Г. «Влияние аргона на рост и размножение гидры». Сб. докладов «Индифферентные газы в водолазной практике, биологии и медицине». Москва, «Слово», 2000, с. 11-13.
- Беннетт П.Б., Эллиотт Д.Г. «Медицинские проблемы подводных погружений», Москва, «Медицина» 1988.
- Вдовин А.В., Ноздрачева Л.В., Павлов Б.Н. «Показатели энергетического метаболизма мозга крыс при дыхании гипоксическими смесями, содержащими азот или аргон». Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 1998, Том № 6, с.618-619.
- Зальцман Г.Л. Физиологические основы пребывания человека в условиях повышенного давления газовой среды, М., Медгиз, с. 188, 1961.
- Зальцман Г.Л., Кучук Г.А., Гургенидзе А.Г. Основы гипербарической физщиологии, Л., Медицина, с. 320, 1970.
- Костылев Е.Г., Гелий-кислородная терапия в профилактике легочных осложнений у больных после операций на органах брюшной полости. А-т. док. Дис. М. 1991. 42 с.
- Крысин Ю.С., Импульсная гипоксия с гелием в комплексном лечении пульмонологических больных. А-т. кан.дис. М.1998. 23 с.
- Куценко М.А., Шогенова Л.В., Чучалин А.Г. Гелий-кислородные смеси- применение в медицине. Материалы 9-го Нацианального конгресса по болезням органов дыхания. М. 1999.
- Лазарев Н.В. Биологическое действие газов под давлением, Л.. изд. Военно-мед. акад., с. 219., 1941.
- Орбели Л.А., Бресткин М.П., Кравчинский В.Д. Токсическое действие азота и гелия на животных при повышенном атмосферном давлении, Военно-медицинский сб.. №1, с. 109-118, 1944.
- Павлов Б.Н., Логунов А.Т., Смирнов И.А., Баранов В.М. и др. «Способ формирования дыхательной газовой смеси и аппарат для его осуществления». Приоритет изобретения 20.09.1995, Патент № 2072241.
- Павлов Б.Н., Смолин В.В., Соколов Г.М. «Краткая история развития гипербарической физиологии и водолазной медицины», Москва, «Слово», 1999.
- Смолин В.В., Рапопорт К.М., Кучук Г.А. Материалы о наркотическом действии повышенных давлений азота, аргона и гелия на организм человека.- В кн. Физилология человека и животных.М.,1974. Т. 14.
- Трошихин Г.В. Организм в гелиокислородной среде, Ленинград, Наука, 1989, 157 с.
- Шулагин Ю.А., Дьяченко А.И., Павлов Б.Н. «Газообмен человека при физической нагрузке с использованием для дыхания воздуха и гипоксических КАС и КААрС». Сб. докладов Москва, «Индифферентные газы в водолазной практике, биологии и медицине». «Слово», 2000, с. 207-214.
- Barach A. R., Science 1934.80:593.
- Bennett P.B., Rostain J.C. The high pressure nervous syndrom, Phisiol., and med. Of diving, 4th ed., 1993., p. 195-237.
- Brauer R.W., Dimov S., Fructus X., et.al. Syndrome neurologique et electrographique des hautes pressions, Rev.Neurol., 1969., v. 121, p. 264-265.
- Brauer R.W., Way R.W. J Appl Physiol. 1970, 29, 241-255.
- Pavlov B.N., Grigoriev A.I., Smolin V.V., Komordin I.P.,Sokolov G.M., et.ol.,«Hyperoxic, normoxic and hypooxic oxygen — argon gaseous mixtures influence on humans under different barometric pressures and respiration times». VTH International Meeting on High Pressure Biology,1997, St. Peterburg p.133-142.
- Особенности переохлаждения в воде (клиника, лечение и профилактика).
- Профилактика декомпрессионной болезни.
- Методы повышения устойчивости организма к декомпрессионной болезни.
- Повышенное давление газовой среды (спуск под воду).
- Медицина: вопросы и ответы.
- Оценка перспектив дайвинг-туризма на о. Байкал — дипломная работа.