Автореферат: Физиолого-гигиеническое обоснование новых методов обеспечения организма кислородом в экстремальных условиях

Исследования с участием человека

Исследования проводились на комплексе ГВК-250 с участием 4 испытуемых-добровольцев при длительном (7 суток) пребывании под избыточным давлением 10 м вод.ст. в нормоксической кислородно-азотно-аргоновой среде (КААрСр). Работа выполнена совместно с Павловым Б.Н., Смолиным В.В., Соколовым Г.М. (ГНЦ РФ - ИМБП РАН).

Парциальное давление кислорода составляло 0,2 ± 0,005 кгс/см² , азота 0,8 ± 0,01 кгс/см² и аргона 1,0 ± 0,01 кгс/см². Для оценки безопасности газовой среды проводились исследования центральной нервной системы, сердечно-сосудистой и дыхательной систем, клинико-биохимические исследования мочи, а также клинико-биохимические исследования крови до и после спуска. В период длительного пребывания в кислородно-азотно-аргоновой среде с целью изучения механизмов регуляции сердечно-сосудистой, дыхательной и нервной систем при физических нагрузках испытуемые выполняли умственную и физическую работу при дыхании нормоксическими и гипоксическими кислородно-азотными и кислородно-аргоновыми смесями (15 % КАС и 15 % КАрС).

При дыхании испытуемых 15 % КАрС в условиях нормального давления объем выполненной работы по сравнению с объемом работы, выполненной при дыхании воздухом, увеличился в среднем на 62 %, что свидетельствует о положительном действии аргона на адаптацию организма к физической нагрузке при дыхании гипоксической смесью.

Сравнивая полученные показатели физической работоспособности и гемодинамики испытуемых при дыхании 7,5% КАрС с указанными показателями при дыхании воздухом, можно сделать заключение о том, что физиологическое воздействие на человека гипоксической КАрС под давлением 10 м вод.ст. при выполнении физической нагрузки на велоэргометре равнозначно воздействию воздуха при нормальном давлении, что свидетельствует о положительном воздействии аргона на процесс адаптации организма к гипоксии.

По данным электрокардиографических исследований патологических изменений как в покое, так и при выполнении физической работы не было обнаружено.

Исследования по оксигемометрии проводились с использованием пульсооксиметра модели 340 (производства Palco Labs, США). В условиях нормобарии при использовании для дыхания гипоксических 15 % КАС и КАрС за время работы процентное содержание оксигемоглобина снижалось на величину, почти в 2 раза большую (на 86 %), чем при дыхании воздухом (8,0 по сравнению с 4,3). При длительном пребывании в нормоксической КААрСр под давлением 10 м вод.ст. падение оксигемоглобина было больше на 115 %, чем при дыхании воздухом (9,25 по сравнению с 4,3). При этом время работы в условиях нормоксической КААрСр было на 196 % продолжительней по сравнению с воздухом (19,6 и 6,6 мин соответственно).

Данные оксигемометричеких исследований, проведенных с применением нагрузочных проб, в нормобарических условиях и при пребывании в гипербарической КААрСр убедительно показывают преимущество КАрС и КААрСр в реализации адаптации организма человека к гипоксии по сравнению с КАС и воздухом.

Сопоставление результатов исследования умственной работоспособности в фоновых исследованиях и при повышенном давлении позволяет предположить, что в кислородно-азотно-аргоновой среде проявляются положительные стороны как азота (ускорение работы), так и аргона (повышение точности работы).

Характерной является противоположная направленность действия гипоксичеких кислородно-азотной и кислородно-аргоновой смесей на умственную работоспособность. Если для КАС характерно преобладание процессов возбуждения в высших отделах головного мозга, проявляющееся большей скоростью счетной работы и значительным увеличением числа ошибок, то при дыхании КАрС можно отметить уравновешенность процессов возбуждения и торможения с некоторым преобладанием процессов торможения. Это проявляется некоторым замедлением скорости арифметического счета при небольшом числе ошибок. Полученные результаты согласуются с данными исследований ЭЭГ, выявивших седативный эффект аргона.

Отсутствие гипоксического эйфорического эффекта в 7,5 % кислородно-аргоновой смеси при давлении 10 м вод.ст. по данным исследования умственной работоспособности может свидетельствовать о повышении резистентности организма к гипоксии при действии аргона.

Таким образом, в исследованиях с участием человека установлено достоверное более высокое потребление кислорода во время выполнения физической нагрузки при дыхании гипоксическими 15 %-ными кислородно-аргоновой и кислородно-азотно-аргоновой смесями при сравнении с выполнением аналогичной нагрузки в кислородно-азотной смеси.

Исследования на микроорганизмах

Представляет большой интерес оценка влияния аргона на низшие живые организмы (микроорганизмы, простейшие многоклеточные), не обладающие аппаратом внешнего дыхания, кровеносной системой. Данные таких экспериментов могут послужить основой для раскрытия механизмов действия аргона на живые системы.

Изучалось влияние повышенного парциального давления аргона на генетические характеристики микроорганизмов на примере переноса R-плазмид. Работа выполнена совместно с Ильиным В.К. и Соловьевой З.О. (ГНЦ РФ - ИМБП РАН).

Перенос плазмид является одним из определяющих факторов формирования лекарственной устойчивости бактерий, что крайне важно для решения практических задач инфекционной безопасности. В процессе переноса плазмид большую роль играет взаимодействие клеточных мембран, что представляет большой интерес с точки зрения изучения возможных механизмов действия аргона.

Объектом исследований являлись музейные штаммы Escherichia coli K-12 JF 238 и K-12 JM 83 из коллекции Института молекулярной генетики. Штамм K-12 JF 238 (донор) содержит плазмиду RP1, определяющую устойчивость к ампициллину, тетрациклину и канамицину. Штамм K-12 JM 83 (реципиент) устойчив к стрептомицину.

Коньюгационные смеси инкубировали в газовых средах с pAr/pN₂/pO₂, ата (1 ата = 10⁵ КПа): №1 - 0,0/0,8/0,2 (атмосферный воздух, контроль); №2 - 1,0/0,8/0,2; №3 - 0,0/1,8/0,2; №4 - 1,0/1,8/0,2.

После анализа было получено уравнение в натуральных переменных, описывающее влияние аргона на частоту переноса R-плазмид в виде:

LgN = - 2,397 - 0,0157pAr,

где: N - частота переноса, pAr - парциальное давление аргона в среде, КПа

Таким образом, присутствие аргона при рAr = 1 ата в среде инкубации коньюгационной смеси достоверно снижает в 10 - 100 раз частоту переноса плазмиды RP1 от штамма E. coli K-12 JF 238 (донор) к E. coli K-12 JM 83 (реципиент). Повышение парциального давления азота с pN₂ с 0,8 ата до 1,8 ата не ведет к снижению частоты переноса плазмиды RP1. Сочетанное действие повышенного парциального давления аргона и азота обуславливает максимальное, в 100 раз, достоверное снижение частоты переноса.

Оценка предельных условий горения в атмосфере на основе аргона

Проведена экспериментальная и экспертная оценка предельных условий горения по содержанию кислорода в окислительной атмосфере с различными инертными разбавителями на основе аргона, азота и диоксида углерода для различных горючих материалов, используемых в обитаемых отсеках ПКК и других гермообъектах, основных групп широко распространённых газообразных и жидких углеводородов и их производных, а также водорода. Полученные данные приведены в таблице 9.

Таблица 9 - Данные о возможности горения жидкостей и твёрдых материалов в помещении с дыхательными газовыми смесями.

«-» - не горит; «+» - горит

Таким образом, при оценке предельных условий горения некоторых широко применяемых жидких и твердых материалов в газовых средах с содержанием кислорода менее 15% в присутствии аргона в количестве 25-50% об. горения этих материалов, кроме водорода, не наблюдается. На основе проведенных работ открывается возможность разработки новых гипоксических пожаробезопасных газовых сред, которые позволяют поддерживать высокий уровень работоспособности человека и способствующих выживанию в экстремальных условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования проводились в двух направлениях:

- исследование нетрадиционных способов получения кислорода (твердые кислородсодержащие соединения, короткоцикловая безнагревная адсорбция на цеолитах);

- разработка приемов, способствующих адекватному снабжению кислородом организма в неблагоприятных или даже несовместимых с жизнью условиях (физиологически активные дыхательные газовые смеси на основе аргона, индивидуальные аварийные средства регенерации газовой среды).

Схема проведенных исследований приведена на рисунке 5.

физиолого-гигиеническое обоснование новых методов Обеспечения организма кислородом в экстремальных условиях

Рисунок 5 - Схема проведенных исследований

В экспериментах на животных и в ходе исследований с участием человека было установлено, что кислород, полученный из твердых кислородосодержащих соединений оригинального состава по своему воздействию на организм не отличается от кислорода, полученного методом низкотемпературной ректификации. Результаты работ послужили основой для проведения клинических испытаний кислорода, получаемого из ТКС. Кроме кислорода, полученного методом низкотемпературной ректификации по ГОСТ 5583-78, кислород из ТКС стал первым, получившим разрешение на использование в качестве кислорода медицинского. На основании выполненного комплекса на базе ЗАО «СКБ ЭО при ГНЦ РФ - ИМБП РАН» разработаны и выпускаются малыми сериями термохимические генераторы кислорода «Нерпа», «Тополь», «Тополь-М».

Установлено, что кислород, полученный путем короткоцикловой безнагревной адсорбции, по своему воздействию на взрослый организм не отличается от кислорода, полученного методом низкотемпературной ректификации. В ходе исследований было показано, что он имеет измененные, относительно кислорода медицинского, физико-химические свойства (изотопный состав, диффузионная способность). Было также показано, что он нормализует эмбриогенез японского перепела в среде инкубации с низким содержанием кислорода и положительно влияет на показатели оксигенации крови пациентов с тяжелой формой легочной недостаточности. Эффект может быть использован в практической медицине, что требует проведения дальнейших углубленных исследований.

Впервые установлено, что присутствие аргона в дыхательной газовой смеси с низким содержанием кислорода (4-10% об.) ведет к сохранению аэробного энергообмена млекопитающих на уровне, близком к таковому при дыхании атмосферным воздухом. В условиях гипоксической гипоксии аргон оказывает разнонаправленное влияние на концентрацию глюкозы в крови. При относительно высоком содержании кислорода (10 % об.) увеличение содержания аргона ведет к понижению концентрации глюкозы. При низком содержании кислорода (6-7% об.) увеличение содержания аргона ведет к одновременному повышению концентрации глюкозы. В диапазоне содержания кислорода 8,5-9,5% аргон не оказывает влияния на концентрацию глюкозы. Присутствие аргона в гипоксической среде инкубации яиц японского перепела положительно влияет на эмбриогенез. Таким образом, аргон является метаболически активным агентом.

На этой основе разработана концепция формирования физиологически активной пожаробезопасной дыхательной газовой среды гермообъектов с пониженным содержанием кислорода на основе инертного газа аргона. В экспериментах на животных и в исследованиях с участием человека разработан состав физиологически активной пожаробезопасной газовой среды с пониженным до 15% содержанием кислорода и с концентрацией аргона 50-80%. Разработанная газовая среда позволяет поддерживать работоспособность на уровне, близком к таковому при дыхании атмосферным воздухом. При этом не происходит горения многих распространенных материалов. В экстремальных условиях при падении уровня кислорода до 4-6% газовая среда, содержащая более 25% аргона, способствует сохранению жизни. На этой основе открывается возможность разработки новых гипоксических пожаробезопасных газовых сред, которые позволяют поддерживать высокий уровень работоспособности человека и способствующих выживанию в экстремальных условиях.

Проведены испытания индивидуального средства регенерации атмосферы гермообъектов «Малыш-К». Показано, что при его применении состав атмосферы остается пригодным для дыхания. При этом члены экипажа имеют возможность снимать аппарат на период до 1 часа для приема пищи, проведения ремонтных работ, оказания медицинской помощи и др. Аппарат находится на стадии разработки эскизного проекта летного образца для использования на МКС. Подана заявка на патент на индивидуальный аппарат регенерации газовой среды гермообъекта по кислороду и углекислому газу «Малыш-К» (рег. № 2005136619).

ВЫВОДЫ