На правах рукописи

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

14.00.32 – Авиационная, космическая и морская медицина

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора медицинских наук

Москва 2006 г

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации - Институте медико-биологических проблем Российской академии наук (ГНЦ РФ - ИМБП РАН)

Научный консультант:

доктор медицинских наук

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук, профессор

доктор медицинских наук

доктор медицинских наук, профессор

Ведущая организация: Государственный научно-исследовательский испытательный институт военной медицины МО РФ

Защита состоится «_____»_______________2006 г. на заседании диссертационного совета Д 002.111.01 при Государственном научном центре Российской Федерации - Институте медико-биологических проблем Российской академии наук (ГНЦ РФ - ИМБП РАН), г. Москва, Хорошевское ш., д. 76а

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ - ИМБП РАН

Автореферат разослан «_____»_______________2006 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, д. м.н.

Все большее применение получает метод получения кислорода из твердых кислородсодержащих соединений (ТКС). ТКС на основе перхлоратов щелочных металлов успешно использовались на орбитальной станции "Мир" (, ,1988; , 1995, 1998) и применяются в настоящее время на МКС. Однако качество О2, полученного из ТКС существующего состава, уже не отвечает современным санитарно-гигиеническим требованиям и такой кислород не имеет разрешения на использование его в качестве кислорода медицинского.

Перспективным и быстро развивающимся методом является также концентрирование кислорода из воздуха на молекулярных ситах (цеолитах) путем короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА). Однако адсорбция кислорода на цеолитах сопровождается концентрированием и такого компонента воздуха как аргон. Это обстоятельство требует подробного изучения качества действия на организм адсорбционного кислорода.

Кислород, как сильный окислитель, является источником повышенной пожаро - и взрывоопасности. Безопасность любого гермообъекта (подводные обитаемые аппараты, подземные сооружения, космические обитаемые объекты) во многом определяется вероятностью возникновения и развития пожара, а также сохранением сознательной и целенаправленной деятельности экипажа по его ликвидации.

В 1964 г. (СССР) и, независимо от него, в 1965 г. (Lamb L. E., США) была высказана идея целенаправленного изменения состава дыхательной газовой смеси в обитаемых космических аппаратах для профилактики развития астенизации во время длительных космических полетов. Физиологические сдвиги, возникающие в процессе адаптации к умеренным степеням гипоксической гипоксии должны препятствовать проявлению некоторых отрицательных эффектов невесомости. С другой стороны, длительное пребывание в гипоксических средах оказывает неблагоприятное воздействие на человека, эволюционно не приспособленного к таким условиям существования.

В 1950 г. Кук (S. F.Cook, США) показал, что аргон и гелий обладают биологическим действием при нормальном барометрическом давлении. В ГНЦ РФ - ИМБП РАН в последние годы было показано, что аргон обладает выраженной физиологической активностью при острой гипоксической гипоксии (, , и др., гг.). Перечисленные обстоятельства открывают возможность разработки новых гипоксических пожаробезопасных газовых сред, которые позволили бы поддерживать высокий уровень работоспособности человека и способствовали бы выживанию в экстремальных условиях.

Рассматриваемые в работе методы обеспечения кислородом в неблагоприятных условиях искусственной среды обитания включают в себя как изучение новых способов получения кислорода, так и приемов, способствующих повышению резистентности организма к острой гипоксической гипоксии и адекватному снабжению организма кислородом.

Цель и задачи работы

Целью работы является физиолого-гигиеническое обоснование новых методов обеспечения кислородом организма человека и животных в дыхательных газовых средах.

Для ее решения были поставлены следующие задачи:

-  провести санитарно-химическую, токсикологическую и физиологическую оценку кислорода, полученного из твердых кислородсодержащих соединений оригинального состава;

-  провести санитарно-химическую, токсикологическую и физиологическую оценку кислорода, полученного короткоцикловой безнагревной адсорбцией на цеолитах;

-  оценить эффективность новых индивидуальных средств регенерации газовой среды гермообъектов в аварийных ситуациях вследствие отказа штатных систем газового обеспечения;

-  исследовать биологические эффекты инертного газа аргона в условиях гипоксической гипоксии.

Научная новизна

1. Установлено, что кислород, полученный из твердых кислородосодержащих соединений и путем короткоцикловой безнагревной адсорбции, по своему воздействию на взрослый организм не отличается от кислорода, полученного методом низкотемпературной ректификации.

2. Показано, что биологические эффекты воздействия на организм, находящейся в состоянии гипоксии, кислорода, полученного способом короткоцикловой безнагревной адсорбции, обусловлены изменением физико-химических свойств кислорода (изотопный состав, диффузионная способность).

3. Впервые установлено, что присутствие аргона в дыхательной газовой смеси с пониженным содержанием кислорода (4-10% об.) ведет к сохранению аэробного энергообмена млекопитающих на уровне, близком к таковому при дыхании атмосферным воздухом.

4. Показано, что толерантность организма к гипоксической гипоксии в начальный период острого воздействия определяется особенностями его энергообмена.

Теоретическая значимость работы

1. Показано, что воздействие на организм кислорода с измененными физико-химическими свойствами ведет к проявлению биологических эффектов на уровне целостного организма.

2. Разработана концепция формирования физиологически активной пожаробезопасной дыхательной газовой среды гермообъектов с пониженным содержанием кислорода на основе инертного газа аргона.

3. Показано, что устойчивость мелких млекопитающих к гипоксической гипоксии в разные отрезки времени определяется различными факторами: в первые десятки секунд - запасами кислорода; далее, до 4-10 мин - доступными запасами глюкозы; свыше 10 мин - накоплением продуктов гликолиза и соотношением интенсивности перекисного окисления липидов и активности антиоксидантной системы.

Практическая значимость работы

1. Выполненный комплекс работ явился основанием для разработки на базе ЭО при ГНЦ РФ - ИМБП РАН» термохимических генераторов кислорода. Получено разрешение Минздрава России на их использование в качестве источника кислорода медицинского.

2. 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.

3. Подана заявка на патент на индивидуальный аппарат регенерации газовой среды гермообъекта по кислороду и углекислому газу «Малыш-К» (рег. № ).

Положения, выносимые на защиту

-  кислород, полученный из твердых кислородсодержащих соединений оригинального состава и путем короткоцикловой безнагревной адсорбции на цеолитах по своим свойствам не отличается от кислорода, полученного низкотемпературной ректификацией из воздуха, и может использоваться в медицинских целях и для дыхания;

-  аргон является метаболически активным газом и может послужить основой для гипоксических пожаробезопасных дыхательных газовых сред гермообъектов различного назначения.

Апробация работы и публикации

Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на Российских и международных конференциях:

XXI Гагаринские научные чтения по авиации и космонавтике, Москва, 1991 г; Индифферентные газы в водолазной практике, биологии и медицине, Москва, 1999 г; Всероссийская конференция с международным участием «Проблемы экологии человека», Архангельск, 2000 г; XXIV академические чтения по космонавтике, Москва, 2000 г; Высокие технологии оборонного комплекса. Первый международный форум, Москва, 2000 г; Российская конференция «Организм и окружающая среда: жизнеобеспечение и защита человека в экстремальных условиях, Москва, 2000 г; V International Meeting on High Pressure Biology, St. Petersburg, 1997 г; IV joint meeting of Japanese and European Seminars on High Pressure Bioscience and Biotechnology, Germany, 1998 г; The 1st inteenational cancer & aids confeeence, Seoul, 2001 г.

Материалы исследований вошли в состав работы «Разработка и внедрение средств и методов обеспечения жизнедеятельности и безопасности человека в изолированных экосистемах с измененной газовой средой», Премия Правительства РФ в области науки и техники за 2003 год (руководитель работы академик Григорьев а. и.).

По материалам диссертации опубликованы 32 работы в открытой печати. Диссертация апробирована на расширенном заседании секции ученого совета «Экологическая медицина и барофизиология» ГНЦ РФ - ИМБП РАН 11.03.2005 г.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, пяти глав собственных исследований, заключения и выводов. Методики, условия проведения экспериментов, полученные данные и их обсуждение приведены в соответствующих главах.

Материал изложен на 165 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков и 30 таблиц. Список литературы содержит 121 название на русском и 29 на иностранных языках.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Материалы и методы

При выполнении работ исследования проводились в условиях гермокамер и гермообъектов. Объем экспериментальных работ представлен в таблице 1.

Санитарно-химические исследования

Процентное содержание кислорода на выходе генератора составляет 99,95 – 99,99%. Обнаруженные органические соединения присутствуют в исследованных образцах в количествах, не превышающих ПДК для атмосферного воздуха. По чистоте получаемый из ТКС кислород превосходит кислород медицинский по действующему ГОСТ.

Эксперименты на животных

Эксперименты проводились на стенде «Гранит». Концентрация О2 поддерживалась на уровне 19-21%об. Газовая среда в контрольной камере формировалась на основе атмосферного воздуха. Группа лабораторного контроля содержалась в виварии. Длительность круглосуточной экспозиции животных составила 14 суток. Биохимические и морфологические исследования проводились на 7 и 14 сутки.

Исследовались показатели крови подопытных животных, отражающие, в первую очередь, характер протекания процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ). Проводили оценку состояния основных заинтересованных органов и систем – печени, сердца и системы кроветворения. Статистически значимых различий в исследованных показателях (α=0,05) обнаружено не было.

Проводилось также взвешивание животных и определение весовых коэффициентов внутренних органов. Статистически значимых различий при α=0,05 в этих показателях у животных контрольной и опытной групп также обнаружено не было.

При сравнении с группой лабораторного контроля общий характер изменений исследованных показателей у животных как контрольной, так и опытной групп, можно интерпретировать как слабо выраженную стрессорную реакцию на специфические условия содержания в гермокамере.

Оценка 24 часового воздействия чистого (98-99 %об.) кислорода, полученного из ТКС, проводилась на лабораторных крыс линии “Wistar”. Контрольная группа подвергалась воздействию О2 промышленного изготовления по ГОСТ 5583-78.

В эксперименте оценивался общий уровень ПОЛ, характер липидного обмена. Показано статистически достоверное (α=0,05) повышение уровня холестерина у животных опытной группы по сравнению с контрольной группой и группой лабораторного контроля на 20% и 38% соответственно через 24 часа воздействия. Наблюдалась также тенденция к увеличению содержания свободных жирных кислот (СЖК). Среди других исследованных биохимических показателей крови различий между группами не обнаружено.

Полученные данные говорят о возможности влияния кислорода, полученного из ТКС, на липидный обмен в условиях гермокамеры. Некоторое увеличение содержания в крови свободных жирных кислот на фоне воздействия гипероксии должно приводить к активации ПОЛ. Так как возрастания в крови одного из конечных продуктов ПОЛ - малонового диальдегида, - не происходит, то можно предположить, что одновременно наблюдается адекватная активация процессов, препятствующих развитию ПОЛ. Наблюдаемое повышение концентрации холестерина, по-видимому, можно рассматривать как компонент такой реакции. В любом случае, концентрации СЖК и холестерина не превышают средних значений для вида.

Таким образом, анализ результатов исследований кислорода, полученного из твердых источников, на лабораторных крыс в условиях нормоксии (14-суточное воздействие) и гипероксии (24-часовое воздействие) не выявил сдвигов в общем состоянии и биохимическом статусе животных, которые ограничивали бы проведение дальнейших исследований с участием человека.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4