Перспективы и возможности использования аргона и других индифферентных газов в медицинской практике Павлов Б.Н., Дьяченко А.И.,Солдатов П.Э., Шулагин Ю.А. Государственный Научный Центр Российской Федерации "Институт медико-биологических проблем"

Введение n Индифферентные газы обладают биологическим действием, которое проявляется в их наркотическом воздействии на организм. Наркотический эффект возникает, если давление газа превышает некоторый порог. Относительная наркотическая активность возрастает в ряду Xe-Кг-Аг-N 2 -Н 2 - Nе-Не. При этом ксенон и криптон наркотический эффект проявляют уже при нормальном барометрическом давлении. Пороговые давления аргона, азота и водорода равны 0,2 МПа, 0,6 Мпа и 2,0 Мпа соответственно. Наркотическое действие неона и гелия в опытах не регистрируются, так как под давлением раньше возникает нервный синдром высокого давления (НСВД). n Повышение и снижение парциального давления индифферентных газов сопровождается процессами сатурации и десатурации их в тканях организма. При этом разные ткани с различной скоростью как насыщаются, так и рассыщаются. Организм способен при этом удерживать газ в состоянии пересыщения, увеличение скорости снижения давления приводит к свободному газообразованию в крови, лимфе и тканях. n Полное насыщение тканей организма индифферентными газами вызывает сложный комплекс приспособительных реакций и при определенных давлениях адаптированный организм может долго находиться под этим давлением, этот процесс напрямую связан с психофизиологическими резервами организма. Дальнейшее повышение давления индифферентных газов или их смесей с кислородом вызывает патологические реакции: последние стадии наркоза или угрожающие жизни симптомы НСВД.

Темы для обсуждения n Физические свойства инертных газов. n Пример влияния газов разбавителей на состояние организма в гипербарическом спуске. n Биологическое эффекты аргона: на образование гидр; на потребление кислорода и выживаемость лабораторных животных (крыс); на активность ферментов в мозге крыс; на потребление кислорода человеком в условиях гипоксической гипоксии. n Гипотеза о каталитическом характере влияния аргона на потребление кислорода

Табл.1. Состав воздуха n Азот - 78,095 % n Кислород - 20,939 % n Двуокись углерода- 0,031 % n Инертные газы- 0,935 % n из них аргон- 0,933 % На остальные инертные газы приходится 0,002%, что составляет содержание в 1 м 3 воздуха: n неона-15 мл n гелия-5 мл n криптона-2,2 мл n ксенона-0,08 мл

Физические свойства инертных газов

Погружение на 1908 м n Пример использования газа- наполнителя n В данном примере три различных газа- наполнителя (азот, гелий, водород) были использованы для обеспечения имитационного погружения лабораторного животного - крысы на глубину 1908 м [Павлов Б.Н., Плаксин С.Е. 1993]. На следующем слайде показаны профиль давления и состав дыхательной газовой смеси (ДГС) в ходе погружения. Числа в левой части рисунка указывают состав ДГС на глубине 1908 м. Далее показаны ЭКГ и ЭКоГ крысы в ходе погружения с использованием различных ДГС. Добавление азота и водорода в ДГС снижает проявления НСВД, что видно по уменьшению амплитуды ЭКоГ.

Профиль давления

ЭКГ и ЭЭГ крысы

Аргон как компонент дыхательной газовой смеси По многим физико-химическим свойствам (ионизационный потенциал и ионизационная способность) азот и аргон близки. Растворимость аргона в воде и жире в два с лишним раза больше, чем у азота. При этом их коэффициенты Бунзена (отношение растворимости в жире к растворимости в воде) близки. Поэтому можно ожидать, что процессы насыщения и рассыщения тканей азотом и аргоном будут проходить с одинаковой скоростью. Различие абсолютных величин растворимости в жире может привести к тому, что эти газы будут по-разному действовать на физико-химические процессы, происходящие в жиросодержащих мембранах. Аргон химически инертен, но он является катализатором некоторых реакций. В смесях аргона (90%), азота и кислорода скорость реакции образования окислов азота в 2,5 раза больше, чем в смесях азота и кислорода без аргона [1]. n Хотя действие инертных газов на процессы дыхания и развития изучалось рядом исследователей, сведения о влиянии аргона на живые скудны и противоречивы. Обнаружено, что аргон увеличивает потребление кислорода дрожжами, дрозофилами, ящерицами и мышами, но подавляет развитие и потребление кислорода у термитов. Также было показано, что аргон восстанавливает нормальное потребление кислорода при голодании ящериц [2]. Однако, в других исследованиях по определению потребления кислорода дрожжами и клетками печени крыс в присутствии гелия, азота и аргона отмечено сокращение потребления кислорода в аргон - содержащей атмосфере [3].

Влияние аргона на размножение гидр [4]

Оценка влияния гипоксии на выживаемость животных в кислородно-азотных и кислородно-азотно-аргоновых средах (КАСр и КААрСр) [5] Примечание: зеленый – нормально, желтый – плохо, красный – очень плохо Белые лабораторные крысы-самцы линии Wistar (масса г, n = 6 в каждом опыте) через герметичный шлюз помещались на 4 часа в камеру с готовой гипоксической КАСр или КААрСр (t = С, = %)

Потребление кислорода у крыс при развитии у них гипоксической гипоксии в кислородно-азотных и кислородно-азотно-аргоновых средах Достоверное снижение потребления О 2 наблюдалось у самцов белых крыс во время дыхания в кислородно-азотных средах с содержанием О 2 10% и 5%, по сравнению с дыханием крыс в кислородно-азотно-аргоновых средах при том же содержании О 2. (количество животных в каждой группе 10). График составлен по данным [6].

Активность дыхательных ферментов сукцинатдегидрогеназы (СДГ) и NADH дегидрогеназа (NАДН-ДГ) в нейронах моторной коры мозга крыс после пребывания в гипоксической кисло родно- азотной и кислородно-аргоновой среде [7] n Эксперименты проводились на 32 самцах белых крыс линии Wistar с массой тела г. n В кислородно-аргоновой (1) кислородно-азотной (2) средах в течении 40 мин (6- 5% О2) находились по 8 крыс в каждой среде. n Контрольная группа (3) животных находилась 40 мин в барокамере при нормальном давлении в воздушной среде. n Интактная группа (4) животные не помещавшиеся в барокамеру. СДГ NADH-ДГ

Человек: дыхание аргоном n Вышеприведенные данные не исключают наличия биологических эффектов аргона. n Из исследований по выживаемости крыс [5] можно ожидать, что эти эффекты будут более выражены при гипоксии. Исходя из этого, целью нашего исследования было: определить влияние аргона на газообмен человека при выполнении физической нагрузки в условиях гипоксии. n Выбранная величина субмаксимальной физической нагрузки соответствовала 75% от максимального потребления кислорода (МПК) каждого испытуемого У наших испытуемых МПК в среднем составило: 38,8±9.9 мл/мин*кГ. Вес испытуемых был 76,7±11,9 кГ. Испытуемые не были спортсменами и их постоянная работа не требовала больших энергетических затрат. n Всего в 12 парах исследований участвовали семь здоровых мужчин- добровольцев в возрасте лет. Каждая пара исследований состояла из измерения параметров газообмена при выполнении физнагрузки одинаковой продолжительности при дыхании гипоксическими газовыми смесями: O 2 -Ar-N 2 и O 2 -N 2. Во всех парах исследований использовали один вариант гипоксической смеси O 2 -N 2, состоящей из 85% N 2 и 15% О 2. Использованы два варианта гипоксической смеси O 2 -Ar-N 2 : в семи исследованиях содержание газов составляло 30 % Ar, 55 % N 2, 15% О 2 и в пяти исследованиях - 85% Ar, 15% О 2.

Схема установки для изучения газообмена у человека при дыхании газовыми смесями во время выполнения физической нагрузки n Установка состояла из системы подачи газовой смеси, включающей газовые баллоны, трехходовой кран (1), клапанную коробку (3), латексный мешок для приготовленной вдыхаемой газовой смеси. Наполнение латексного мешка вдыхаемой газовой смесью осуществлялось с помощью газовых редукторов от транспортных баллонов. n Система регистрации включала: пневмотахометрический датчик (2), кислородный датчик (4) в контуре вдоха, датчик пульс-оксиметра на пальце испытателя. Выдыхаемый газ проходил через усредняющую емкость объемом 5 л.и подавался на газоанализ О2 и СО2 анализаторам. n Все электрические.сигналы с датчиков подавались на АЦП персонального компьютера и обрабатывались специально разработанными программами

Динамика потребления кислорода и насыщения артериализованной крови кислородом Изменения VO 2 (Рис. А) и % HbO 2 ( Рис. В ) при выполнении стандартной физической нагрузки 75% от МПК во время дыхания гипоксическими газовыми смесями, содержащими и не содержащими аргон. (Усреднённые данные 6-ти испытуемых.)

Потребление кислорода и параметры кислородного обеспечения во время выполнения физической нагрузки при дыхании воздухом и гипоксическими газовыми смесями. I - максимальное значение сглаженного за 30 сек потребления О2 (л/мин) ; II - полное потребление О2 за время нагрузки и период восстановления (л); III – количество потребленного О2 после нагрузки (л); IV – количество потребленного О2 во время нагрузки (л); n 1 - Дыхание воздухом; n 2 - Дыхание гипоксической аргоно- кислородной смесью; n 3 - Дыхание гипоксической азотно- кислородной смесью; 4 - Разность параметров при дыхании аргоновыми и азотными смесями. Звездочками обозначена достоверность изменения параметров газообмена при смене газовой смеси: * - P < 0,05; ** - P < 0,01

Гипотеза о механизме действия аргона на живые организмы n Полученные результаты позволяют говорить о действии аргона на метаболические процессы. Суть нашей гипотезы о физиологической активности аргона заключается в том, что инертный газ аргон влияет на обмен веществ в тканях организма, увеличивая скорость окислительных реакций. Для описания зависимости потребления кислорода от его напряжения в ткани можно пользоваться уравнением Михаэлиса – Ментена, графически представленным слева. В рамках описания кинетики ферментативных процессов этим уравнением, нашу гипотезу о влиянии аргона на метаболизм можно сформулировать следующим образом: Р * Аг Р * N2 в результате воздействия аргона на ферменты дыхательной цепи. n В условиях тканевой гипоксии зависимость потребления кислорода от парциального давления сказывается на венозном конце тканевого цилиндра Крога. n Если в аргоновой среде снижается Р *, то снижается объем участков ткани с пониженным потреблением кислорода, т. е. в условиях гипоксии аргон увеличивает потребление кислорода тканями. Увеличение потребления кислорода и уменьшение объема "мертвых углов" тканевых цилиндров должно повысить переносимость гипоксии. Таким образом, гипотеза о каталитическом влиянии аргона на газообмен объясняет основные экспериментальные данные о действии аргона на организм человека и животных. Найденное нами увеличение потребления кислорода в смесях, содержащих 85 % и 30 % аргона, хорошо укладывается в гипотезу о каталитическом действии аргона.

Заключение n Индифферентные газы обладают биологическим действием. Ранее известные негативные проявления действия газов включают наркотический эффект и нервный синдром высокого давления. Известны также процессы сатурации и десатурации инертных газов в тканях организма при изменении их парциального давления. Используя различие физико-химических свойств инертных газов, изменяя содержание этих газов в зависимости от глубины погружения, удается добиться погружения на глубины почти до 2 км. n В наших исследованиях влияния гипоксической гипоксии на живые организмы впервые целенаправленно применен аргон вместо традиционнонго газа разбавителя - азота. Представленные здесь результаты позволяют говорить о действии аргона на метаболические процессы в различных биологических объектах. n В частности, аргон повышает выживаемость и потребление кислорода у лабораторных животных (крыс) в условиях острой гипоксической гипоксии, ативность дыхательных ферментов СДГ и НАДН-ДГ в нейронах моторной коры мозга крыс, образование особей гидр в стадии почки. n Наше исследование показало достоверное увеличение потребления кислорода на 6-8% у человека при выполнении физнагрузки в условиях дыхания гипоксической газовой смесью, содержащей аргон. n Предложенная гипотеза о каталитическом влиянии аргона на кинетику потребления кислорода объясняет два основных эффекта аргона: увеличение потребления кислорода при дыхании человека в умеренно гипоксических смесях и увеличение выживаемости крыс при острой гипоксической гипоксии. n Остается вопрос: является ли физиологически целесообразным найденный эффект увеличения потребления кислорода при выполнении физнагрузки в аргон-содержащей среде по сравнению с аналогичной по содержанию кислородно-азотной смесью? По-видимому, эффект повышает толерантность организма к гипоксии, если при сниженном парциальном давлении общее количество кислорода в среде не является лимитирующим фактором.

Литература 1. Дмитриев М.Т., Пшежецкий С.Я. Радиационное окисление азота, Кинетика окисления азота под действием излучения и роль процессов рекомбинации ионов. // Журнал Физической химии, 1960, T. 34, C Финкельштейн Д.Н. Инертные газы, М., Наука, 1979, с Cook S.F. The effect of helium and argon on metabolism and metamorphosis. // J. Cell. and Comp. Physiol., 1950, V. 36, P Беляев А.Г. Влияние аргона на рост и размножение гидр. // В сб. Индифферентные газы в водолазной практике, биологии и медицине. М.: Фирма «Слово», 2000, под. ред. В.М. Баранова, с Солдатов П.Э., Дьяченко А.И., Павлов Б.Н. и др.//Выживаемость лабораторных животных в аргон-содержащих гипоксических средах//Авиационная и экологическая медицина, 1998, т.32, 4, с Pavlov B.N., Grigoriev A.I., Smolin V.V. et al.//Investigations of different hyperoxic, hypoxic and normoxic oxygen-argon gaseouse mixtures under different barometric pressure and respiration period//HIGH PRESSURE BIOLOGY AND MEDICINE Papers Presented at the V-th International Meeting on High Pressure Biology, St.Peterburg, Russia 7-9 July 1997, pp Вдовин А.В., Ноздрачева Л.В., Павлов Б.Н.. Показатели энергетического метаболизма мозга крыс при дыхании гипоксическими смесями, содержащими азот или аргон. // БЭБМ, 1998, т. 125, 6, с Шулагин Ю.А., Дьяченко А.И., Павлов Б.Н. Влияние аргона на потребление кислорода человеком при физнагрузке в условиях гипоксии. // Физиология Человека, в печати.