Infrared monitoring of the dynamics of the local temperature as a symptom of adaptation to hypoxia and efficiency of antihypoxic drugs

Full Text

Жизнь человека, как и всех теплокровных животных, очень сильно зависит от температуры тела и наличия в нем кислорода. Зависимость от температуры знакома нам с детства по собственному опыту, прежде всего из-за горячих и холодных предметов, простудных заболеваний, термических ожогов и обморожений. Зависимость от кислорода обычно мало заметна, поскольку воздух, которым мы дышим, содержит достаточное количество кислорода. Однако при остановке дыхания, прекращении работы сердца и/или массивном кровотечении человеческий организм теряет способность забирать кислород из окружающего воздуха и разносить его внутри себя во все части тела [4, 5, 26]. Из-за отсутствия кислорода первым «отключается» головной мозг и через несколько минут гипоксии гибнет. Остальные органы и ткани могут оставаться живыми без кислорода гораздо дольше. Но и им угрожает смерть от гипоксического повреждения, если их своевременно не обеспечить кислородом и/или не охладить [16, 33, 37, 38].

Таким образом, гипоксия остается главной причиной биологической смерти большинства клеток нашего организма. При этом первыми не выдерживают гипоксию клетки коры головного мозга [10, 11, 17, 38], поэтому разработка новых способов и средств продления жизни клеток головного мозга в условиях недостатка кислорода остается очень актуальной задачей не только для экспериментальной и клинической фармакологии, но и для всей медицины [13, 15, 31, 33].

Разработка лекарств антигипоксической направленности началась в Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова (Ленинград) в 1960-х гг. под руководством заведующего кафедрой фармакологии, профессора Василия Михайловича Виноградова (рис. 1) [2, 32].

Рис. 1. Василий Михайлович Виноградов — известный фармаколог, д-р мед. наук, профессор, заведующий кафедрой фармакологии Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова (1968–1988), создатель концепции антигипоксантов

В настоящее время изучением антигипоксантов занимаются многие фармакологи страны, однако лидерство в исследованиях продолжают сохранять сотрудники кафедры фармакологии Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова — последователи профессора В.М. Виноградова. Весь груз ответственности в организации поиска антигипоксантов принял на себя заведующий кафедрой профессор П.Д. Шабанов (рис. 2).

Рис. 2. Петр Дмитриевич Шабанов — д-р мед. наук, профессор, с 2000 г. — заведующий кафедрой фармакологии Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова Минобороны РФ; с 2011 г. — заведующий отделом нейрофармакологии им. С.В. Аничкова ФГБНУ «Институт экспериментальной медицины»

Поиск антигипоксантов проводится с учетом того, что именно интенсивный аэробный обмен веществ, протекающий в клетках головного мозга в условиях гипоксии (ишемии), является причиной гипоксического (ишемического) повреждения нейронов мозга [5, 15, 33]. При этом сложность решения проблемы заключается в том, что нужно найти антигипоксант, сохраняющий работоспособность и жизнеспособность нейронов теплого головного мозга в отсутствии кислорода [26].

Параллельно с этим аналогичные медико-биологические исследования проводились в кардиологии, поэтому поиск антигипоксантов был сопряжен с поиском противоишемических (антиангинальных) средств, предотвращающих инфаркт миокарда [16, 21]. Ишемическая болезнь сердца в разные годы именовалась по-разному: стенокардия, грудная жаба (angina pectoris), коронарная недостаточность, ишемия миокарда. Поэтому антиишемические средства получили название «антиангинальные» препараты [31].

В целом поиск антиангинальных и антигипоксических средств ведется уже полвека. За время этих исследований ученые расширили знания, получили богатый научный опыт, но пока не нашли средство, заменяющее собой газ кислород. При этом научные факты были получены в основном в опытах на животных, с использованием разных моделей гипоксии, а исследователи решали разные задачи. Чтобы разобраться в них, нужно критически относиться к полученным результатам.

Во-первых, нужно исходить из того, что значительная часть результатов была получена исследователями в опытах на молодых половозрелых грызунах (мышах, крысах и кроликах). Важно подчеркнуть, что эти животные, как и люди, относятся к теплокровным живым существам нашей планеты. Однако масса тела указанных экспериментальных животных существенно меньше массы тела людей, и грызуны имеют иную видовую чувствительность к некоторым биологически активным веществам, чем приматы, а также ведут полигамный образ жизни. Обмен веществ, протекающий в организме этих животных, чувствительность их к кислороду и к некоторым лекарствам не являются идентичными таковым в организме человека [31].

Во-вторых, основное внимание исследователей было обращено на выживаемость нейронов коры головного мозга при острой гипоксии и клеток миокарда при острой ишемии сердечной мышцы. При этом большинство проведенных исследований, посвященных разработке антигипоксантов, антиангинальных средств и способов защиты тканей от гипоксического (ишемического) повреждения, было проведено без мониторинга динамики общей и локальной температуры исследуемых органов и тканей [1, 4–7, 13, 15].

В-третьих, общий итог проведенных исследований может быть сведен к заключению, что причиной гибели нейронов головного мозга, миоцитов сердечной мышцы (равно как миоцитов скелетной мышцы конечностей и гладких мышц кишок) в условиях недостатка артериальной крови и/или кислорода является гипоксическое (ишемическое) повреждение, обусловленное сохранением высокой интенсивности внутриклеточного аэробного метаболизма [2, 4, 5, 7, 13, 15].

В-четвертых, следует исходить из того, что независимо от желания исследователей гипоксия (и ишемия) развивается и протекает всегда при определенной общей и местной температуре, которая всегда вмешивается в развитие патологического процесса и в действие лекарственных средств на него. Отсутствие контроля общей и локальной температуры во время фармакологических исследований снижает ценность полученных данных (нередко до нуля) [16].

Есть ли успехи в поиске антигипоксантов, которые удивили бы мир? Да. В 2015 г. в России было запатентовано первое антигипоксическое средство, заменяющее собой газ кислород. Оно представляет собой водный изотонический щелочной буферный раствор, состоящий из 0,85 % натрия хлорида, 0,10 % натрия гидрокарбоната и 0,05–0,29 % перекиси водорода и предназначается для инъекции в порцию донорской венозной крови перед ее консервацией, что полностью предотвращает гипоксическое повреждение клеток крови при консервации [27]. Антигипоксическое действие объясняется тем, что средство обеспечивает внутритканевое образование оксигемоглобина в эритроцитах венозной крови.

В 2016 г. было запатентовано первое в мире лекарственное средство, предназначенное для инъекции в зону ишемии миокарда или в кору головного мозга при гипоксии с целью предотвращения гипоксического (ишемического) повреждения кардиомиоцитов и нейронов мозга [26]. Изобретение заключается в том, что водный раствор для инъекции включает 0,88 % натрия хлорида, 0,06–0,1 % глюкозы и 0,01–0,02 % перекиси водорода при осмотической активности 280 мосмоль/л воды. Средство получило название «Лимфозаменитель».

В 2016 и 2017 гг. были запатентованы напитки для взрослых людей, повышающие устойчивость к гипоксии. В первом случае средство представляет собой раствор 0,3–0,5 % перекиси водорода при избыточном давлении 0,2 атм при +8 °C газа кислорода в питьевой воде [25]. Во втором случае питьевая вода включает 7 % глюкозы, 3 % перекиси водорода и газ кислород до создания избыточного давления 0,2 атм при +8 °C [24].

В 2018 г. был запатентован «Энергетический напиток» для детей [3]. Водный раствор для введения в желудок является стерильным, включает 7 % глюкозу, 0,7 % спирт этиловый, 0,3–0,5 % перекись водорода, газ кислород под избыточным давлением 0,2 атм при +8 °C.

Эти антигипоксические средства были созданы благодаря использованию нового вида экспериментальных животных и новой биологической модели. Опыты были проведены не на теплокровных, а на холоднокровных животных, в частности на аквариумных рыбках. Дело в том, что рыбки не сопротивляются искусственному изменению общей температуры тела. Острую гипоксию создавали прекращением поступления воздуха в воду, в которой они плавали. Выбранные средства вводили в воду или в желудок рыб. Благодаря этому было показано, что антигипоксическая эффективность перекиси водорода соизмерима с общим понижением температуры на 10–20 °C [23, 28, 37].

Впервые противогипоксическая роль общей гипотермии была показана за 20 лет до начала целенаправленного поиска антигипоксантов. В 1960 г. профессор В.А. Неговский (рис. 3) показал, что смерть человека может быть побеждена искусственным общим охлаждением организма [9]. Эти данные породили новую медицинскую специальность — реаниматологию.

Рис. 3. Владимир Александрович Неговский — д-р мед. наук, профессор, академик Академии медицинских наук СССР, создатель и директор первого в мире Научно-исследовательского института общей реаниматологии в Москве, основоположник реаниматологии, первооткрыватель новой нозологической единицы (постреанимационной болезни)

Триумф идей В.А. Неговского стимулировал проведение исследований динамики состояния людей и теплокровных животных при общем охлаждении. Благодаря этому очень скоро было выявлено наличие в организмах теплокровных животных и людей эффективной адаптационной системы борьбы с общим охлаждением. Было показано, что при общем охлаждении организмы теплокровных животных и людей борются с этим за счет срочного увеличения выработки тепла. С этой целью включаются такие механизмы выделения тепла, как дрожание скелетных мышц и окисление субстратов цикла Кребса в митохондриях [16, 21].

Эти научные факты были приняты многими учеными за непоколебимую истину, поэтому и сегодня многие считают, что холод стимулирует аэробный обмен веществ. Однако это не совсем так. В 1984 г. автор этих строк показал, что локальная гипотермия не ускоряет, а тормозит аэробный обмен веществ [16, 21]. В этом же году стратегия сохранения жизнеспособности ткани без артериальной крови и/или кислорода была откорректирована: предлагалось сохранять жизнь органов и тканей в отсутствие кислорода благодаря искусственной локальной гипотермии [21].

Эта стратегия защиты тканей от гипоксического повреждения была основана на результатах многочисленных экспериментальных и клинических исследований, направленных на выяснение антигипоксической роли локальной гипотермии. Было установлено, что локальная гипотермия (снижение локальной температуры с +37 до +20 °C или до 0 °C) повышает, а локальная гипертермия (повышение локальной температуры с +37 до +42 °C) снижает устойчивость различных биологических объектов к недостатку артериальной крови и/или кислорода [16, 21].

Нужно признать, что новая стратегия антигипоксического действия в отсутствии кислорода разрабатывалась не только по примеру В.А. Неговского, предложившего сохранять жизнь людей с помощью общего искусственного охлаждения. Дополнительную уверенность в верность гипотезы вселял успех холодовой защиты сердца от ишемического повреждения, который демонстрировал в ту пору при хирургических операциях на сердцах людей знаменитый российский кардиохирург Е.Н. Мешалкин (рис. 4) [8]. Кроме этого, уверенность крепла благодаря успешной консервации изолированных почек и сердец путем их охлаждения, которую демонстрировал в это время при их трансплантации знаменитый врач-трансплантолог В.И. Шумаков (рис. 5).

Рис. 4. Евгений Николаевич Мешалкин — российский кардиолог и кардиохирург, д-р мед. наук, профессор, академик Академии медицинских наук СССР, директор Института экспериментальной биологии и медицины в Новосибирске

Рис. 5. Валерий Иванович Шумаков — д-р мед. наук, профессор, академик Академии медицинских наук и Академии наук СССР, директор НИИ трансплантологии и искусственных органов Минздрава России

Шло время, предложенную стратегию защиты органов и тканей с помощью их локального охлаждения никто не оспаривал, но практически никто открыто не поддерживал и не развивал. Также никто открыто не обращал внимания на заявление о том, что локальная гипотермия тормозит, а локальная гипертермия стимулирует метаболизм в организмах теплокровных животных.

Удивительно, но исследователи не спешили применять локальную гипотермию для устранения ишемии и гипоксии! Тем ценнее оказалась роль ученых, которые первыми поверили в перспективность заявленной стратегии. Среди отечественных фармакологов это были сотрудники НИИ фармакологии Академии медицинских наук (АМН) СССР — профессор, заведующая лабораторией фармакологии кровообращения Н.В. Каверина и директор института академик А.В. Вальдман [21].

Оглядываясь назад, можно отметить, что отсутствие внимания научного сообщества к стратегии защиты органов и тканей от гипоксического (ишемического) повреждения путем понижения локальной температуры объяснялось следующим. Зависимость интенсивности аэробного метаболизма от температуры не вписывалась в представления, которые доминировали в ту пору среди большинства исследователей, занятых разработкой антигипоксантов и антиангинальных средств. Дело в том, что общепринятое представление сводилось к тому, что для повышения выживаемости ишемизированных биологических объектов (прежде всего ишемизированного миокарда) нужно ускорять внутриклеточный энергетический обмен, а не тормозить его интенсивность. Указанные представления широко применялись для обоснования «энергетической» теории лечения пациентов с острой коронарной недостаточностью для предотвращения инфаркта миокарда. Суть этой теории сводилась к необходимости усиления интенсивности окислительного фосфорилирования АДФ в митохондриях и повышения скорости креатинфосфокиназной реакции в кардиомиоцитах [14, 34]. Авторы этой гипотезы получили Государственную премию СССР в области науки.

Указанная гипотеза не нашла подтверждение в практике, поэтому направленность поиска антигипоксантов расширилась. Настало время проверки ориентации на метаболические эффекты локальной гипотермии [16, 21]. Появилась надежда на то, что состояние метаболизма в охлажденных клетках может быть смоделировано путем фармакологического подражания [21]. Кроме того, начался поиск средств, заменителей газа кислорода [26, 37]. Новый толчок исследованиям дала визуализация того, что никто ранее не видел. Этому способствовали приборы сонографической и инфракрасной диагностики. Благодаря ультразвуковой диагностике удалось увидеть невидимое ранее «поведение» скрытых органов и тканей при недостатке кислорода [10, 18]. А с помощью тепловизора удалось увидеть невидимую ранее динамику локальной температуры при гипоксии и при действии антигпоксантов [17, 19, 20, 35, 36, 38].

Благодаря этим новым технологиям было показано, что индивидуальная устойчивость людей к гипоксии зависит от резервов адаптации к ней, среди которых важное место занимает расслабленность скелетных мышц, неподвижность тела, венозное кровообращение, внелегочное оксигенирование крови и локальная гипотермия головного мозга [18, 22, 29, 30, 35]. В частности, было проведено сонографическое исследование внутриматочного поведения плодов при задержке дыхания беременными женщинами и изучено поведение аквариумных рыбок в ограниченном объеме воды внутри герметично закрытых емкостей. Результаты показали, что при гипоксии поведение плодов и рыб является аналогичным [10, 23]. Оказалось, что адаптационная устойчивость плодов к внутриутробной гипоксии может быть легко оценена с помощью ультразвукового исследования (УЗИ) уже с 20-й недели беременности [10].

Показано, что рыбки в 2,0–2,3 раза дольше остаются живыми в условиях гипоксии при следующих воздействиях: 1) охлаждение воды (понижение температуры с +26 до +16 °C); 2) введение в воду раствора 6 % перекиси водорода в дозе 0,2 мл/кг рыбы [23].

Кроме этого, было обнаружено, что периодическое многократное введение перекиси водорода «в оживляющей дозе» в воду с рыбками, переживающими гипоксию, многократно увеличивает продолжительность жизни рыбок в воде без поступления в нее атмосферного воздуха и/или газа кислорода. В другой серии экспериментов было обнаружено, что рыба не погибает от гипоксического повреждения головного мозга при отсутствии в воде растворенного кислорода, если вводить раствор перекиси водорода в эффективной дозе в желудок рыб или если охладить воду, в которой плавает рыба [37].

Таким образом, эксперименты с рыбами показали, что надежным физическим антигипоксическим воздействием является общее охлаждение, а эффективным фармакологическим антигипоксическим средством — раствор перекиси водорода. Для антигипоксического эффекта раствор перекись водорода можно вводить в воду, в которой плавает рыба, либо в желудок рыб.

Описанные эксперименты с аквариумными рыбками в условиях острой гипоксии и клинические наблюдения за поведением плодов при задержке дыхания беременными женщинами позволили изобрести и запатентовать специальный функциональный тест на устойчивость плода к внутриутробной гипоксии, известный как проба Гаускнехт [10]. Способ представляет собой модифицированную пробу Штанге и позволяет с помощью УЗИ определять резервы адаптации плода к гипоксии по продолжительности выдерживаемого им периода отсутствия дыхания у беременной женщины. При этом исходят из того, что чем дольше плод находится в неподвижном состоянии, тем более он устойчив к гипоксии.

С помощью тепловизора было установлено, что динамика локальной температуры поверхности головы плода во время физиологических родов отражает температуру его головного мозга, которая, в свою очередь, зависит от обеспеченности мозга кислородом [11, 30]. Показано, что в заключительном периоде родов уменьшение температуры кожи головы плода в области проекции щели между теменными костями черепа и/или в области родничков является симптомом гипоксии и/или ишемии головного мозга у плода (и одновременно — способом защиты коры головного мозга от гипоксического повреждения). И наоборот, повышение температуры кожи в этой области свидетельствует об успешном увеличении доставки кислорода и артериальной крови к коре головного мозга плода и о повышении вероятности рождения здорового ребенка [38].

Опираясь на эти данные, было предложено оказывать акушерское пособие под контролем общей температуры беременной женщины (роженицы) и локальной температуры поверхности головы у плода с помощью тепловизора [30, 38]. При этом рекомендуется исходить из того, что при появлении в голове у плода зоны локальной гипотермии ставится диагноз внутриутробной гипоксии плода. Для немедленного устранения внутриутробной гипоксии плода предложено повысить концентрацию кислорода в крови беременной женщины вплоть до минимальных токсических значений и охлаждать голову плода, как только она выйдет из родовых путей наружу [11, 12].

С помощью тепловизора важные данные были получены при мониторинге динамики локальной температуры поверхности верхних конечностей у здоровых взрослых добровольцев во время добровольного апноэ или во время кратковременного наложения жгута на плечевую область, а также у пациентов, находящихся в критических состояниях (при геморрагическом шоке, травматическом шоке и клинической смерти) и в процессе введения cтимулирующих лекарственных средств. Оказалось, что инфракрасная термография обеспечивает очень важной информацией при мониторинге локальной температуры в подушечках пальцев рук [17, 19, 22]. Благодаря этому способу был выявлен новый диагностический симптом сохранения жизни человека, который заключается в волнообразной динамике локальной температуры конечности [19, 21]. Механизм волнообразности динамики теплоизлучения был объяснен спонтанным венозным кровообращением. Предложено использовать обнаруженный признак жизни для оценки эффективности антигипоксических и оживляющих средств и для определения необходимой продолжительности реанимации.

У взрослых пациентов с потерей крови 30–40 % и у здоровых добровольцев до, во время и на протяжении 5 мин после стандартного ишемического провокационного теста (cuff occlusion test) была изучена динамика локальной температуры в пальцах и в ладони. Оказалось, что через 1,5 мин после ишемического провокационного теста температура и цвет инфракрасного изображения ладоней и пальцев у здоровых людей и у потенциально жизнеспособных пациентов восстанавливаются, а у нежизнеспособных пациентов не восстанавливаются. Полученные данные легли в основу нового функционального теста, который позволяет оценивать устойчивость пациентов к гипоксии при геморрагическом шоке и отзывчивость их к реанимации [22, 35, 36]. Предлагается использовать ишемический провокационный тест и инфракрасный мониторинг температуры и изображения пальцев и ладони пациента на протяжении 1,5 мин после ишемической провокации. При этом повышение температуры на 0,1–1,0 °C, уменьшение размеров зоны локальной гипотермии и восстановление цвета инфракрасного изображения на экране тепловизора пальцев и ладони после ишемической провокации можно рассматривать как диагностический симптом жизнеспособности пациента, его высокой устойчивости к гипоксии при геморрагическом шоке и хорошей отзывчивости к реанимации, и наоборот.

Следовательно, при поиске и оценке эффективности антигипоксантов следует учитывать не только обеспеченность головного мозга артериальной кровью и кислородом, но и его температуру, интенсивность аэробного метаболизма в нем, а также индивидуальные резервы адаптации к гипоксии всего организма в целом.

About the authors

Alexander L. Urakov

Author for correspondence.
Email: urakoval@live.ru

Dr. Med. Sci., Professor, Head of the Department of General and Clinical Pharmacology; Senior Researcher of the Department of Modeling and Synthesis of Technological Processes

References