Criteria and methods for assessing the damaging effect of impulsive dynamic factors (literature review and own data)

Full Text

Среди травматогенных факторов различной природы особое место занимает группа импульсных динамических воздействий, вызываемых кратковременно действующими высокоэнергетическими эффекторами, поражающее действие которых связано с быстрой передачей тканям и органам большого количества механической энергии. Разработка экспериментальных методов определения характера распределения энергии по отдельным анатомо-морфологическим структурам и диагностика тяжести поражения — весьма актуальная проблема, представляющая несомненный интерес для широкого круга врачей, и прежде всего травматологов.

Анатомо-морфологическое описание и биохимические маркеры травмы

Подход к оценке тяжести травматических повреждений, основанный на их анатомо-морфологическом описании, является наиболее традиционным, а применяемые методы — вполне устоявшимися. Жизнеспособность поврежденных тканей визуально оценивается по цвету, консистенции, кровоточивости и сократимости. Правильная оценка размеров зоны пораженных тканей и последующее удаление их нежизнеспособной части имеют принципиальное значение для дальнейшего лечения огнестрельной раны.

На основе данных анатомо-морфологического описания повреждений разработаны определенные критерии и оценочные шкалы, позволяющие характеризовать поражающее действие огнестрельных ранящих снарядов. В качестве одного из таких, наиболее строгих критериев оценки рекомендуется использовать массу ткани, удаляемой при первичной хирургической обработке раны [12, 13]. Оказалось, что между количеством переданной энергии и массой удаленных тканей существует достаточно строгая корреляция. Первоначально ее представляли в виде экспоненциальной зависимости. Дальнейшие исследования показали, что корреляция является линейной.

При использовании определенного вида оружия коэффициент корреляции достигает 0,9. При объединении результатов, полученных с использованием разных видов оружия, коэффициент корреляции снижается (r=0,67), сохраняя статистическую достоверность. При этом установлено, что на результат оказывает влияние фактор длины раневого канала. Учет данного обстоятельства и переход к использованию удельной характеристики (масса ткани, отнесенная к длине раневого канала) повышал значение коэффициента корреляции до 0,78. В последующие годы подобные исследования проведены многими другими авторами, подтвердившими высокую эффективность данного метода [19, 26, 37].

В дальнейшем были предприняты попытки совершенствования анатомо-морфологического подхода, направленные на устранение погрешностей, связанных с визуальной оценкой размеров и характера повреждений. Для оценки состояния поврежденных тканей предложены гистологические методы исследования [41]. Разработаны методики определения степени повреждения тканей по изменению их отражательной способности по отношению к монохроматическому свету различных длин волн [20]. Заслуживают отдельного упоминания исследования состояния поврежденных тканей флюоресцентными методами, а также методами, основанными на регистрации электрических потенциалов ткани [4, 5]. Эффективным способом исследования и разработки контрольно-диагностических тестов может служить радиоспектроскопия в различных ее вариантах (ЭПР, ПМР, Р³¹-ЯМР) [2, 3]. Определенные перспективы для оценки тяжести огнестрельных повреждений открывает недавно обнаруженное явление генотоксического эффекта современных высокоскоростных ранящих снарядов [7].

Исследование поражающего действия воздушных ударных волн (ВУВ), несмотря на определенную специфику, связанную с наличием в организме наиболее поражаемых морфоструктур, в целом также имеет в своей основе анатомо-морфологическое описание картины повреждения, даваемое хирургом. Первые работы по изучению влияния ВУВ на биообъекты были выполнены еще до начала второй мировой войны. Результаты исследований позволили с достаточной определенностью установить, что наиболее чувствительны к поражающему действию ВУВ части тела, отличающиеся наибольшей разницей в плотности соседних тканей [1]. По этой причине принято выделять эффекты первичных повреждений, которые возникают непосредственно вследствие перепада давлений в органах и тканях, являющихся мишенями действия ВУВ. Поскольку энергия ВУВ определяется значениями амплитуды и длительности ударного импульса, оценка поражающего действия производится с учетом этих параметров.

Последние два десятилетия отмечены повышением интереса к действию ВУВ на биологические организмы, что обусловлено в основном появлением новых систем вооружений. В частности, появились новые виды взрывных боеприпасов, создающие так называемый эффект объемного взрыва вследствие детонации аэрозольного облака, сопровождающейся возникновением мощных ударных волн. С другой стороны, в связи с широким использованием некоторых видов оружия (самоходные гаубицы, ручные гранатометы и ракетные установки) все большее значение приобретает проблема воздействия ВУВ на военный персонал, применяющий это оружие.

На основе анализа результатов многочисленных экспериментальных исследований предложены анатомо-морфологические критерии поражения ВУВ и разработана ранговая классификация по степеням тяжести поражения. Главным недостатком этого подхода является его качественный характер и неизбежная при подобных подходах субъективность.

С учетом указанных обстоятельств были предприняты попытки создания более объективных методик, основанных не на визуальном описании повреждений, а на инструментальных измерениях. Так, в работе Clemedson [15] тяжесть поражения ударной волной впервые предложено оценивать по увеличению массы легких после воздействия. Причиной этого увеличения являются кровоизлияния и отек легких. При тяжелых степенях поражения (III и IV) масса легких увеличивается более чем в 1,5 раза. Однако при поражениях меньшей тяжести метод недостаточно чувствителен. Более успешно справиться с задачей дифференциации повреждений средней и малой тяжести позволяет современная методика (В.Н. Варфоломеев, Г.Н. Богданов), основанная на количественном определении крови в ткани легкого. Специфической проблемой этой области исследований является экстраполяция на человека данных, полученных в экспериментах на животных. При этом приходится учитывать множество факторов: массу тела, размер, пространственную ориентацию и т.д. В настоящее время с этой целью используется компьютерное моделирование [35]. К сожалению, остаются практически не изученными биохимические и биофизические особенности действия ВУВ на биообъекты, выявление которых могло бы привести к разработке новых критериев диагностики и методов лечения травм, вызванных ВУВ.

Идея использования в качестве маркеров тяжести поражения тех или иных физиологических либо биохимических сдвигов в системе гомеостаза получила свое развитие при изучении огнестрельных ран. Имеется достаточно большое число экспериментальных работ, в которых специально проанализирована связь между биохимическими изменениями и тяжестью травмы [16, 27, 29]. Степень выраженности каскада биохимических процессов, запускаемых в организме в ответ на повреждение, как правило, в той или иной мере коррелирует с тяжестью поражения. Поэтому, в принципе, любые из ответных реакций после специального исследования, включающего математико-статистический анализ характера наблюдаемых корреляций и степени их выраженности, могут быть выбраны в качестве маркеров тяжести поражения.

Системная ответная реакция организма на травму представляет собой сочетание местных последовательных изменений и многочисленных общих реакций, обусловливающих ту или иную степень нарушения в системе гомеостаза. Большинство, общих реакций не специфичны для травматического повреждения организма, а протекают в рамках общего адаптационного синдрома, пусковой механизм которого связан с выделением адреналина [6]. Имеются экспериментальные исследования, в которых показано, что по уровню катехоламинов в крови можно оценивать тяжесть поражения [11, 17]. По данным Hwang [24], изучавшего действие высокоскоростных пуль в эксперименте на собаках, уровень кортизола коррелировал с площадью входного отверстия и размером зоны контузии.

В 80-е годы были проведены исследования, составившие основу концепции так называемого острого ответа. Острый ответ рассматривают как последовательную генерализованную реакцию организма, независимо от разнообразия патологических процессов, ее индуцирующих [29]. Ключевым медиатором острого ответа считают в настоящее время интерлейкин-1 [18]. При поиске среди этой группы белков возможных маркеров поражения внимание исследователей привлек сывороточный амилоид А. Концентрация этого белка быстро увеличивается в ответ на воздействие, что может быть использовано для мониторинга раневой болезни, ответа на терапию и прогноза [31]. Понятно, что с контрольнодиагностической точки зрения в качестве маркеров в первую очередь привлекают внимание белки сыворотки крови. Среди других белков этой группы в качестве маркеров поражения организма огнестрельными снарядами и ВУВ было предложено (Г.Н. Богданов, В.Н. Варфоломеев) использовать парамагнитные металлопротеиды сыворотки крови — церулоплазмин и трансферрин.

Местное действие травмы, помимо структурно-функциональных нарушений (повреждение клеточных мембран, нервных волокон, сосудов и системы кровоснабжения), проявляется в высвобождении различных биохимических медиаторов, регулирующих процессы воспаления и регенерации. К ним относятся калликреин, кинины, биогенные амины, липиды и их производные и некоторые другие. Общим признаком этих медиаторов метаболической природы является сам факт их появления или резкой активации в поврежденных тканях, хотя они и не могут считаться абсолютно специфичными для раневого процесса [6]. При определении потенциальных кандидатов на роль маркеров поражения важное значение может иметь анализ динамики выделения и взаимодействия указанных групп медиаторов, позволяющий, в частности, выявить особую роль системы гемостаза.

Принято различать первичную и вторичную гемостатические реакции. Первичная реакция имеет клеточную природу, ключевую роль здесь играет адгезия тромбоцитов к волокнам соединительной ткани в местах повреждения эндотелия. Адгезия тромбоцитов связана главным образом с физико-химическими свойствами их мембран и не требует для своей реализации дополнительных биохимических посредников. Вторичная реакция имеет биохимическую природу и включает общеизвестную совокупность последовательных реакций, приводящих к формированию фибринового сгустка. Среди выявленных к настоящему времени основных факторов свертывания особую роль играет фактор Хагемана, активация которого, как и в случае с тромбоцитами, имеет физико-химическую природу и происходит при контакте с чужеродной поверхностью. К настоящему времени установлено, что этому компоненту принадлежит важная триггерная роль на начальных этапах воспаления и раневого процесса. Фактор Хагемана осуществляет запуск системы свертывания, активируя предшественник тромбопластина (фактор XI), способствует активации системы фибринолиза (активирует проактиватор плазминогена), выступает в качестве инициатора исходной активации калликреин- кининовой системы (активирует прекалликреин)[5, 6] и, наконец, по данным Haldeman и соавт. [21], является одним из начальных звеньев активации системы комплемента.

В ряду химических медиаторов раневого процесса, которые могли бы эффективно использоваться для характеристики тяжести поражения, особое место занимают компоненты калликреин-кининовой системы. Это связано с тем, что конечные продукты данного каскада реакций — кинины вызывают важные физиологические эффекты, лежащие в основе патогенеза микроциркуляторных расстройств, во многом определяющих клиническое течение всего раневого процесса [6]. Применительно к огнестрельным ранениям оценка уровня калликреина и выявление его корреляции с количеством поглощенной энергии были впервые осуществлены в работе Lewis и соавт. [30], где сделан вывод об активации калликреин-кининовой системы при огнестрельных травмах.

В качестве биохимического теста на тяжесть поражения огнестрельным оружием предложено также использовать концентрацию другого компонента данной системы — креатинкиназы. Показано, что уровень этого фермента в крови начинал возрастать через 0,5 ч после ранения и достигал максимума через 2 ч. При этом повышение концентрации креатинкиназы было пропорциональным скорости огнестрельного снаряда [9]. В то же время попытка использовать величину активности креатинкиназы в качестве критерия поражения ВУВ оказалась безуспешной [22].

Важной системой, участвующей в формировании физиологических ответных реакций организма на травматические повреждения, является система комплемента, неспецифическая активация которой происходит при различных видах травматических повреждений и воздействии эндотоксинов [21]. Результаты исследований свидетельствуют о том, что такие общие физиологические реакции на травму, как падение кровяного давления, ослабление способности крови к оксигенации, и местные реакции, проявляющиеся в накоплении гранулоцитов и формировании отека ткани, могут быть непосредственно связаны с неспецифической активацией системы комплемента.

В ряде исследований проведено изучение влияния травмирующих воздействий на эритроциты крови. Согласно данным Valeri и соавт. [38], у больных с травмами скелетных мышц отмечается повышенный спонтанный гемолиз. Известно также, что травматические повреждения практически всегда сопровождаются той или иной степенью анемии. Однако анемические явления у травмированных больных нельзя рассматривать как результат непосредственного влияния механического импульса на мембраны эритроцитов хотя бы потому, что они наступают спустя несколько дней после травмы. Вместе с тем в наших экспериментах отмечено явление гемолиза эритроцитов крови, проявляющегося непосредственно после огнестрельного ранения. При этом уровень гемолиза нарастал во времени в течение первого часа после ранения.

Таким образом, на сегодняшний день обнаружено достаточно большое число различных параметров организма, отклоняющихся от нормы при травмирующих воздействиях, когда масштаб отклонения в той или иной мере соотносится с энергией воздействия. Приведенные данные об особенностях изменения локальных и системных биохимических и биофизических показателей открывают перспективы создания системы мониторинга при огнестрельных травмах, включающей ряд контрольно-диагностических тестов, характеризующих различные стадии патогенеза огнестрельных ран.

Мишени-имитаторы и модельные системы

Попытки использования различных материалов в качестве мишеней, заменяющих живую ткань при испытаниях огнестрельного оружия, предпринимались уже давно. В последние годы наиболее широкое распространение получили блоки-мишени из желатина, петролатума и специальных сортов мыла [25, 28, 37]. Плотность этих материалов практически совпадает с плотностью живой ткани [4]. Коэффициент торможения для сферических индентеров составляет в желатине 0,375 [14], а в мыле — 0,33 [33]. Вместе с тем различие этих материалов по упругости как фактор, влияющий на некоторые результаты исследований, на наш взгляд, недооценивается. Многочисленные исследования показали, что объем полости в мыльном блоке, соответствующий максимальном у размеру временной пульсирующей полости, хорошо коррелирует с массой нежизнеспособных тканей, удаляемых при хирургической обработке огнестрельных ран животных [34]. По данным Aebi и соавт. [9], объем полости в мыле коррелирует с количеством переданной энергии (коэффициент корреляции 0,9). В то же время, согласно данным Sce- рапоѵіс [33], эта зависимость не является на всем протяжении линейной, а содержит два больших линейных участка с разным наклоном, что может быть связано с влиянием краевых или температурных эффектов [25].

Для получения количественной информации о баллистических характеристиках снаряда и размере временной пульсирующей полости приходится прибегать к использованию весьма сложных и дорогостоящих инструментальных методов, а именно к технике сверхскоростной кино- и рентгеновской съемки [28].

Новый этап в исследовании рассматриваемой проблемы во многом связан с работами, положившими начало продолжающемуся по сей день сотрудничеству специалистов ЦИТО и Института химической физики РАН в Черноголовке. В ходе этих исследований удалось осуществить комплексный физико-химический и медико-биологический подход к изучению кинетики и механизмов такого сложного явления, как огнестрельная рана. Было установлено, что в живых тканях часть энергии огнестрельного снаряда преобразуется в энергию высокореакционноспособных свободнорадикальных частиц, возникающих в результате механической деструкции биомакромолекул. Именно свободнорадикальный механизм запускает сложную цепь патофизиологических процессов, ведущих к формированию «зоны молекулярного сотрясения» и последующего вторичного некроза, и в конечном счете определяет клиническое течение огнестрельного повреждения [8].

 

Зависимость степени гемолиза (у) от величины работы расширения газа в ударной трубе (а) и ее линеаризация с помощью функции теоретического нормального распределения (б).

 

Эти представления о возникновении и развитии процессов и явлений мембранной патологии были положены в основу создания принципиально новых мишеней-имитаторов, в которых функцию своеобразного биодинамического датчика, улавливающего энергию внешнего воздействия, выполняли эритроциты. Интересной областью приложения данной методики, основанной на явлении механического гемолиза, стало использование ее для оценки баллистических свойств ранящих снарядов, а также для отбора препаратов, модифицирующих механические свойства эритроцитарной мембраны. В частности, эритроцитарные модели впервые были применены нами для исследования поражающего действия ВУВ, создаваемых с помощью воздушной ударной трубы. Получаемый гемолитический отклик на воздействие ВУВ соотносили с независимой оценкой ударного импульса по величине работы расширения воздуха в ударной трубе (А), рассчитываемой по формуле:

$A=\frac{p_1{V^k}_1}{k-1}·\left[1-{\left(\frac{p_2}{p_1}\right)}^{k-1/k}\right],$

где р₁ — максимальное давление воздуха в трубе, предшествующее разрыву мембраны; р₂ — атмосферное давление; V₁ — объем ресивера ударной трубы; к — показатель адиабаты, равный для воздуха примерно 1,4.

Результаты исследований представлены на рисунке. Как видно из него, полученная кривая имеет S-образную форму, что обусловлено наличием в естественной популяции эритроцитов определенной дисперсии по механочувствительности эритроцитарной мембраны. Оказалось, что зависимость степени гемолиза (у) в эритроцитарной модели от количества поглощенной энергии или от энергетических характеристик внешнего эффектора может быть выражена уравнением, основанным на функции нормального распределения:

$\gamma =\frac{1}{\sigma \sqrt{2\mathrm{\pi }}}{\int }_0^{E}EXP\left[-\frac{1}{2}·{\left(\frac{E-\overline{E}}{\sigma }\right)}^2\right]dE,$

где Е — количество энергии, поглощенной системой; $\overline{E}$ — значение энергии, соответствующее положению центра распределения; σ — показатель дисперсии (стандартное отклонение).

Полученные нами результаты свидетельствуют о том, что эритроцитарные гемолитические системы могут быть успешно использованы в качестве своеобразных биодинамических датчиков, позволяющих эффективно оценивать количество механической энергии, поглощаемой анатомо-морфологическими структурами организма.

Упомянутые выше публикации и наши исследования позволяют говорить о том, что в разработке рассматриваемого направления исследований принимают участие специалисты практически всех естественных наук, и это в значительной мере обеспечивает его динамичное развитие. Авторы выражают готовность к сотрудничеству со всеми, кого в той или иной степени заинтересовали вопросы, поставленные в настоящем обзоре.

About the authors

G. N. Bogdanov

Institute of Chemical Physics; Central Institute of Traumatology and Orthopedics named after N.N. Priorov

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Chernogolovka; Moscow

N. I. Neshev

Institute of Chemical Physics; Central Institute of Traumatology and Orthopedics named after N.N. Priorov

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Chernogolovka; Moscow

Y. G. Shaposhnikov

Institute of Chemical Physics; Central Institute of Traumatology and Orthopedics named after N.N. Priorov

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Chernogolovka; Moscow

References

Supplementary files