Лечебные дыхательные газовые смеси

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 в1999 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.