Содержание к диссертации
Введение 8
Глава 1. Обзор литературных данных 15
1.1 Общая характеристика группы инертных газов 15
1.1.1 Краткая история открытия, распространенность в
природе, получение и применение инертных газов 16
Физико-химические свойства инертных газов 20
Биологические эффекты и применение в медицине 25 1.2. Анестетические свойства инертных газов 36
Открытие анестетических свойств инертных газов 36
Механизмы действия общих анестетиков 3 8
1.2.3 Характеристика ксенона как нетоксичного общего
анестетика 45
1.3 Исследования биологических эффектов криптона,
обоснование направлений исследований и выбора методик 50
Глава 2. Объекты и методы исследований 55
Объем проведенных исследований 55
Методы исследований 58
2.3 Исследование влияния водной среды, насыщенной
инертными газами, на лабораторных планарий 58
2.3.1 Методика исследования влияния водной среды,
насыщенной криптоном при различном барометрическом давлении,
на скорость регенерации лабораторных планарий 59
2.3.2 Методика проведения экспериментов по
сравнительному анализу действия повышенного парциального
давления криптона, аргона, гелия и азота на поведенческие реакции
лабораторных планарий 60
Методика определения пороговых величин парциального давления криптона, оказывающего анестетическое действие на плодовых мушек дрозофил 61
Методика определения пороговых величин парциального давления криптона, оказывающего анестетическое действие на взрослых особей иглистого тритона 61
2.6 Изучение влияния воздушно-криптоновых сред на японского
перепела в онтогенезе 62
2.6.1 Методика оценки влияния воздушно-криптоновых сред 63
различного состава на эмбриогенез японского перепела
2.6.2 Методика определения пороговых величин
парциального давления криптона, оказывающего анестетическое
действие на взрослых особей японского перепела 64
2.7 Методика проведения сравнительного анализа влияния
суточного воздействия воздушно-криптоновой и воздушно-
ксеноновой сред при избыточном давлении 0,3 кгс/см на
биохимические и цитогенетические показатели лабораторных крыс 66
2.8 Исследование влияния дыхания кислородно-криптоновыми
смесями в условиях повышенного и нормального давления на
общее состояние, электрическую активность мозга и реакцию
белой крови человека 67
2.8.1 Методика исследования влияния дыхания
нормоксической кислородно-криптоновой смесью при нормальном
давлении на общее состояние, электрическую активность мозга и
реакцию белой крови человека 67
2.8.2 Методика исследования влияния дыхания кислородно-
криптоновой смесью в условиях повышенного давления на общее
состояние, электрическую активность мозга и реакцию белой крови
человека 68
2.9 Статистическая обработка данных 70
Глава 3. Результаты исследований и их обсуждение 72
3.1 Определение пороговых величин парциального давления
, криптона, оказывающего анестетическое действие на лабораторных
животных и человека 72
3.1.1 Сравнительный анализ действия повышенного давления
криптона, аргона, гелия и азота на поведенческие реакции
лабораторных планарий 72
Определение пороговых величин парциального давления криптона, оказывающего анестетическое действие на плодовых мушек 73
Определение пороговых величин парциального давления криптона, оказывающего анестетическое действие на
! иглистых тритонов 74
Определение пороговых величин парциального давления криптона, оказывающего анестетическое действие на японских перепелов 75
Определение пороговых величин парциального давления криптона, оказывающего анестетическое действие на человека 75
Обсуждение 77
Выводы по разделу 80
' 3.2 Исследование влияния водной среды, насыщенной
I криптоном при различном барометрическом давлении, на скорость
регенерации лабораторных планарий 81
Обсуждение 86
Выводы по разделу 87
3.3 Оценка влияния воздушно-криптоновых сред различного
состава на эмбриогенез японского перепела 88
Обсуждение 92
Выводы по разделу 94
3.4 Исследования влияния инкубации в воздушно-криптоновой
среде на соотношение лейкоцитов в крови японского перепела 95
Обсуждение 96
Выводы по разделу 96
3.5 Сравнительный анализ влияния суточного воздействия
воздушно-криптоновой и воздушно-ксеноновои сред при
избыточном давлении 0,3 кгс/см на биохимические и
цитогенетические показатели лабораторных крыс 97
3.5.1 Влияние суточного воздействия воздушно-криптоновой
и воздушно-ксеноновои сред на клинико-биохимические
показатели крови крыс 97
Обсуждение 100
Выводы по разделу 102
3.5.2 Влияние суточного воздействия воздушно-криптоновой
и воздушно-ксеноновои сред на цитогенетические показатели
роговицы глаза крыс 103
Обсуждение 106
Выводы по разделу 109
3.6 Исследование влияния дыхания кислородно-криптоновыми
смесями в условиях повышенного и нормального давления на
общее состояние, электрическую активность мозга и соотношение
лейкоцитов в крови человека ПО
Влияние дыхания кислородно-криптоновыми смесями в условиях повышенного и нормального давления на общее состояние и электрическую активность мозга 110 Обсуждение 124 Выводы по разделу 125
Влияние дыхания кислородно-криптоновыми смесями в
условиях повышенного и нормального давления на соотношение
лейкоцитов в крови человека 125
Обсуждение 130
Выводы по разделу 132
Заключение 133
Выводы 134
Список литературы 136
Приложения
Приложение А. Акты о внедрении и ТУ
Приложение Б. Схема проведения эксперимента по изучению
эмбриогенеза японского перепела в различных средах
Приложение В. Поведение животных в воздушно-криптоновой
среде, а также человека при дыхании кислородно-криптоновой
смесью
Приложение Г. Личные впечатления испытуемых во время дыхания
кислородно-криптоновыми смесями
Приложение Д. Развернутые таблицы данных, полученные в
исследованиях
СОКРАЩЕНИЯ И ЕДИНИЦЫ ДАВЛЕНИЯ
1 кгс/см - единица давления = 0,1 МПа = 1 атм = 10 м вод.ст. = 760 мм рт.ст.
АД - артериальное давление
АЛТ - аланинаминотрансфераза
ACT - аспартатаминотрансфераза
АХр - аберрации хромосомные
БОС - биологическая обратная связь
ВКрСр - воздушно-криптоновая среда
ВКсСр - воздушно-ксеноновая среда
ГВК-250 - глубоководный водолазный комплекс
ДГС - дыхательная газовая смесь
ДД - диастолическое давление
СД - систолическое давление
ДК - декомпрессия
ДП - длительное пребывание
КАС - кислородно-азотная смесь
КАрС - кислородно-аргоновая смесь
КГС - кислородно-гелиевая смесь
ККрС - кислородно-криптоновая смесь
ККсС - кислородно-ксеноновая смесь
ЛДГС - лечебная дыхательная газовая смесь
ЛИИ - лейкоцитарный индекс интоксикации
МАК - минимальная альвеолярная концентрация
МИ - митотический индекс
ССС - сердечно-сосудистая система
ЦНС - центральная нервная система
ЧСС - частота сердечных сокращений
ЭКГ - электрокардиограмма
ЭЭГ - электроэнцефалограмма
ЯИ - ядерный индекс
Введение к работе
В настоящее время бесспорной является возможность использования индифферентных газов (инертных газов, а также азота и водорода) в составе газовых смесей и сред при глубоководных водолазных спусках [Орбели, Бресткин, Кравчинский, 1944; Bond, 1963, Смолин и др., 1968; Fructus, Brauer, Dimov, 1968; Беннет, 1971; Генин и др., 1992; Семко и др., 2000; Баранов, Павлов, 2004; Смолин, Соколов, Павлов, 2003,2004,2005]. Так, при внедрении метода длительного пребывания в глубоководных водолазных спусках основным газом-разбавителем кислорода является гелий, с ним достигнута глубина 686 м [Беннет, Элиот, 1988], а с использованием водорода - 701 м. [Gardette et al., 1993]. Эти газы уже широко используются в практике создания искусственной среды обитания и для других замкнутых гермообъектов. Перспективным является создание пожаробезопасной среды в различных гермообъектах, включая космические корабли и станции, с использованием аргона [Pavlov, Buravkova, 1999; Солдатов, 2006; Павлов, 2006].
Помимо этого проводятся работы по внедрению новых методов лечения и реабилитации газовыми смесями, содержащими инертные газы. Являясь химически инертными, они, тем не менее, обладают широким спектром биологического действия. Уже сегодня можно говорить, что инертные газы -это новый класс нетоксичных средств, оказывающих на организм целый ряд биологических эффектов, которые используются в медицине [Лазарев, 1941; Павлов и др., 1995, 2006; Буров, Потапов, Макеев, 2000; Логунов, Павлов, Григорьев и др., 2006].
Так, использование кислородно-гелиевых смесей эффективно при лечении ряда заболеваний органов дыхания и сердечно-сосудистой системы, реабилитации после переохлаждения и физических нагрузок [Barach, 1935; Orr, 1988; Павлов и др., 1995; Куценко, 2000; Воль, 2006]. Применение кислородно-аргоновых гипоксических смесей (с содержанием кислорода 10-15%) повышает резистентность организма человека и млекопитающих к
гипоксической гипоксии и улучшает сон после психофизических нагрузок [Pavlov, Grigoriev, Smolin et al, 1997; Шулагин, Дьяченко, Павлов, 2001; Павлов Н.Б., 2006]. С помощью ксеноновых смесей возможна терапия бессонницы, неврозов различной этиологии, реактивных и абстинентных состояний, снижения болевой чувствительности. Ксенон на сегодняшний момент, кроме того, является идеальным общим анестетиком, однако его повсеместное использование ограничивается высокой стоимостью [Буачидзе, Смольников, 1962; Буров, Потапов, Макеев, 2000; Наумов и др., 2002].
Наиболее близким к ксенону по физическим свойствам элементом является криптон [Aitkenhead, Smith, 1990], но для его внедрения в медицинскую практику необходимо всестороннее изучение влияния этого газа на организм. При этом анестетическая сила криптона несколько слабее, чем ксенона, что может дать новый, более широкий, чем у ксенона спектр применения в медицине и реабилитации при нормальном давлении и обеспечить достаточную анестезию при повышенном давлении [Павлов, Куссмауль и др., 2005]. Кроме того, в перспективе возможно использование криптона в водолазной практике, космической и экстремальной медицине для создания безопасной дыхательной газовой среды с заданными свойствами в гермозамкнутых объектах и для проведения анестезии под повышенным давлением.
Несмотря на возрастающий интерес к этой области [Abraini, 2003; Preckel, 2004, 2006; Ma, 2007], механизмы действия инертных газов, в частности их наркотического действия до конца не выяснены. Настоящая работа посвящена данной проблеме, в частности поиску подходов к изучению биологических эффектов криптона.
Целью работы было изучение биологического действия криптона на живые организмы различных уровней организации в условиях повышенного давления. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи: 1. Создание экспериментальных установок:
барокамеры длительного содержания биообъектов и водных животных под давлением в термостате и оптической барокамеры для макрофото- и видеосъемки лабораторных животных (лабораторных планарий, иглистых тритонов, плодовых мушек и др.) под давлением;
термобоксов и инкубаторов для длительной инкубации яиц японского перепела в дыхательных газовых средах различного состава под различным давлением в отсеке барокомплекса ГВК-250;
барокамерного дыхательного аппарата с замкнутой схемой дыхания для проведения исследований с участием человека в барокомплексе под давлением по изучению эффектов дыхательных газовых смесей, содержащих криптон и другие инертные газы, и автоматизированного дыхательного аппарата для нормобарических условий.
Определение пороговых величин парциального давления криптона, оказывающего наркотический эффект на различных лабораторных животных и человека.
Оценка влияния криптона на формирование органов и тканей:
в процессе регенерации;
в эмбриогенезе.
Исследование влияния воздушно-криптоновых сред и кислородно-криптоновых смесей на клинико-биохимические показатели крови животных и человека.
Изучение цитогенетических последствий инкубации лабораторных крыс в воздушно-криптоновой среде.
Исследование влияния дыхания кислородно-криптоновыми смесями при нормальном и повышенном давлении на электрическую активность мозга человека.
Основные положения, выносимые на защиту
Биологическая активность химически инертного газа криптона на животных и человека проявляется в различной степени в зависимости от парциального давления и уровня организации живого организма; при этом видимых отрицательных эффектов на организм не отмечено.
Криптон в водных и газовых средах и смесях при повышенном давлении проявляет выраженный анестетический эффект на лабораторных животных и человека.
Научная новизна работы
Впервые применен эволюционный подход к изучению действия повышенного парциального давления криптона на живые организмы, и выстроен эволюционный ряд из исследованных объектов по степени их чувствительности к криптоновой анестезии.
Впервые проведены исследования, в которых полный цикл эмбрионального развития теплокровных животных (японского перепела) происходит в атмосфере общего анестетика (криптона и закиси азота).
Впервые осуществлено исследование влияния криптона, обладающего анестетическими свойствами, на образование органов и тканей как в процессе регенерации, так и в процессе эмбриогенеза.
Впервые проведены исследования с участием человека по изучению влияния дыхания газовыми смесями, содержащими криптон, при нормальном и повышенном давлении на электрическую активность мозга и клинико-биохимические показатели крови.
Теоретический вклад
Результаты данной работы могут расширить границы существующего понимания механизмов действия криптона и инертных газов в общем, а также наметить пути дальнейших исследований в этой области.
Практическая значимость
В лекционные курсы для аспирантов ГНЦ РФ-ИМБП РАН, студентов МГУ, РГМУ, ГКА им.Маймонида, курсантов ИПК ФМБА России включены данные о физиологическом действии криптона на человека и животных при нормальном и повышенном давлении, полученные в рамках данной работы. Результаты работы легли в основу обоснования НИОКР МО России по созданию подвижного гипербарического госпиталя с барооперационной, в которой для анестезии предполагается использовать криптон и ксенон.
Внедрение результатов исследования в практику
По результатам работы разработаны технические условия на медицинскую газовую смесь: ТУ 2114-028-39791733-2007 от 15.01.2007. Дыхательная газовая смесь «КрипОксА». Потапов В.Н., Жданов В.Н., Филиппов В.М., Потапов А.В., Волокитин Л.Б., Козин В.Л., Павлов Б.Н., Амиров P.P., Демидион П.Ю., Павлов Н.Б., Куссмауль А.Р., Тугушева М.П., Логунов А.Т. (Акт о внедрении результатов от ООО «Акела-Н» от 15.01.2007). Разработаны действующие макеты барокамерного дыхательного аппарата с замкнутой схемой дыхания под давлением до 10 кгс/см с применением различных ДГС на основе криптона, аргона, ксенона и автоматизированного дыхательного аппарата для нормобарических условий. (Акт о внедрении результатов от ЗАО СКВ ЭО от 19.04.2007). (См. Приложение А)
Апробация работы
Основные результаты и положения диссертации доложены на конференциях молодых ученых ГНЦ РФ-ИМБП РАН, посвященных Дню космонавтики (Москва, 2005, 2006, 2007); конференции «Гипербарическая физиология и водолазная медицина» (Москва, 2005); I Съезде физиологов СНГ (Сочи, 2005); XIII международной конференции по космической биологии и авиакосмической медицине (Москва, 2006); VIII всемирном конгрессе по адаптационной биологии и медицине (Москва, 2006); XXXI
академических чтениях по космонавтике «Актуальные проблемы Российской космонавтики» (Москва, 2007). Диссертация апробирована на секции Учёного совета «Гипербарическая физиология и экологическая медицина» ГНЦ РФ-ИМБП РАН (протокол №3 от 13 апреля 2007г.). По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ.
Статьи:
1. Куссмауль А.Р., Богачева М.А., Шкурат Т.П., Павлов Н.Б.
Цитогенетические последствия в эпителиоцитах роговицы глаза мышей после их пребывания в воздушно-аргоновой среде // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2006. №5. С.42-44.
Куссмауль А.Р., Богачева М.А., Шкурат Т.П., Павлов Б.Н. Влияние дыхательных сред, содержащих ксенон и криптон, на клинико-биохимические показатели крови животных // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2007. №2. С.30-32
Куссмауль А.Р., Богачева М.А., Павлов Н.Б., Шкурат Т.П., Павлов Б.Н. Цитогенетические эффекты аргона // Сборник научных работ «Актуальные проблемы биологии». Томск, 2004. Т.З. №1. С.30-32.
Богачева М.А., Куссмауль А.Р., Павлов Н.Б., Шкурат Т.П., Павлов Б.Н. Влияние гелия на развитие Xenopus laevis Doudin II Сборник научных работ «Актуальные проблемы биологии». Томск, 2004. Т.З. №1. С.162-163.
Доклад
5. Павлов Б.Н., Павлов Н.Б., Куссмауль А.Р., Богачева М.А., Григорьев А.И.
Физиологические эффекты газовых смесей и сред, содержащих ксенон и криптон //
Научно-практическая конференция «Ксенон и ксеноносберегающие технологии в
медицине - 2005» Сборник докладов. Москва, 2005. С.20-28.
Тезисы:
Павлов Н.Б., Куссмауль А.Р., Павлов Б.Н., Жданов В.Н., Потапов В.Н. Новые лечебные дыхательные смеси // Материалы конференции «Гипербарическая физиология и водолазная медицина». Москва, 2005. С.16-17.
Куссмауль А. Р., Богачева М.А. Направления исследования свойств газовых смесей и сред, содержащих криптон // Материалы конференции «Гипербарическая физиология и водолазная медицина». Москва, 2005. С.20-21.
Богачева М.А., Куссмауль А. Р. Влияние кислородно-ксеноновой и кислородно-криптоновой дыхательных сред на формулу крови, биохимические показатели и гормональный статус животных // Материалы IV молодежной конференции, посвященной Дню космонавтики и 10-летию со дня окончания сверхдлительного космического полета врача-космонавта-исследователя Полякова В.В. Москва, 2005. С.10-11.
Куссмауль А. Р., Богачева М.А. Влияние кислородно-аргоновой среды на цитогенетические показатели и формулу крови лабораторных животных // Материалы IV молодежной конференции, посвященной Дню космонавтики и 10-летию со дня окончания сверхдлительного космического полета врача-космонавта-исследователя Полякова В.В. Москва, 2005. С.22-23.
Куссмауль А. Р., Богачева М.А. Направления исследования свойств газовых смесей и сред, содержащих криптон // Научные труды I Съезда физиологов СНГ. Сочи, 2005. С.212.
Павлов Н.Б., Павлов Б.Н., Куссмауль А.Р., Жданов В.Н., Потапов В.Н. Терапевтические возможности применения лечебных дыхательных газовых смесей на основе гелия и ксенона в целях профилактики здоровья гражданского населения
гарнизонов и специалистов ВМФ // Материалы научно-практической конференции «Медицинское обеспечение сил флота в условиях Кольского Заполярья». Видяево, 2006. С. 165-167.
12. Куссмауль А.Р. Биологические эффекты криптона при повышенном давлении на
тигровых планарий Dugesia tigrina в водной среде // Материалы V конференции
молодых ученых и специалистов, аспирантов и студентов, посвященной дню
космонавтики. Москва, 2006. Стр. 23.
13. Куссмауль А.Р., Гурьева Т.С., Дадашева О.А., Павлов Н.Б. Влияние газовой
" среды, содержащей криптон, на эмбриональное развитие японского перепела //
Материалы XIII конференции по космической биологии и авиакосмической медицине. Москва, 2006.
Pavlov N.B., Kussmaul A.R., Tugusheva М.Р. Main trends of investigation of properties of gas mixtures and atmospheres containing helium, argon, xenon and krypton II Materials of VIII World Congress of ISAM. Moscow, 2006. P.86-87.
Куссмауль A.P., Гурьева T.C., Дадашева О.А., Павлов Б.Н., Павлов Н.Б. Влияние газовой среды, содержащей криптон, на эмбриональное развитие японского перепела // Труды XXXI академических чтений по космонавтике «Актуальные проблемы Российской космонавтики». Москва, 2007. С.483-484.
Куссмауль А.Р., Павлов Н.Б. Определение парциальных давлений криптона, оказывающих наркотический эффект на лабораторных животных и человека // Материалы VI конференции молодых ученых и специалистов, аспирантов и студентов, посвященной дню космонавтики. Москва, 2007. С. 33.
t Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследования, 6 глав собственного исследования, каждая из которых заканчивается обсуждением и выводами по главе, заключения, общих выводов, списка литературы и приложений, содержащих таблицы, фотографии, материалы по внедрению.
Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, иллюстрирована 21 таблицей и 28 рисунками (а также содержит 32 таблицы и 6 рисунков в приложениях). Библиография включает 181 источник, из них 116 - на английском языке.
