Экспериментальное исследование механизмов снижения потребления кислорода организмом при барбитуратной коме

Кома - состояние крайнего угнетения неврологических функций, сопровождающее различные экстремальные воздействия на организм. Она почти всегда предшествует смерти и тесно связана с её непосредственными причинами. Поэтому раскрытие механизмов комы - ключ к повышению эффективности реанимации при поражениях различной природы. В той мере, в какой эти механизмы неспецифичны, изучение комы любой этиологии актуально в теоретическом отношении.

Весьма важна проблема комы и в лечении острых интоксикаций веществами седативного-гипнотического действия, в том числе барбитуратами, столетие медицинского применения которых исполнилось в 2003 году. Именно высокий риск развития комы при передозировках барбитуратов послужил одной из главных причин постепенного перехода от них к менее эффективным, но более безопасным снотворным препаратам. В анестезиологической практике барбитураты сохранили роль основной группы средств общей внутривенной анестезии. Поэтому изучение барбитуратной комы актуально также в практическом отношении.

Клинические проявления барбитуратной комы всегда включают (а) глубокое угнетение функций центральной нервной системы (ЦНС) и (б) уменьшение интенсивности энергетического обмена (проявляющееся, в частности, снижением температуры тела и потребления кислорода организмом). Хотя связь между этими явлениями кажется вполне вероятной, о характере этой связи существуют взаимоисключающие представления.

С одной стороны, снижение интенсивности энергетического обмена рассматривается как следствие уменьшения энергетических потребностей организма в условиях крайнего торможения неврологических функций [116, 122, 144, 157]. С другой стороны, высказывается мнение о том, что сами энергетические потребности при барбитуратной коме не удовлетворяются полностью вследствие нарушения внешнего дыхания [2, 109] и гемодинамики [51, 111, 146, 158]. Одно из возможных объяснений такого противоречия могло бы состоять в том, что факторы, лимитирующие доступность для организма свободной энергии, не одинаковы при барбитуратном наркозе различной глубины (в том числе и при коме различной степени). Закономерная смена лимитирующих факторов вероятна не только при возрастании дозы барбитурата, но и в динамике интоксикации - в зависимости от фазы наркотического эффекта.

Идеей “лимитирующего фактора” почти два века назад владел адмирал Ф.Ф Ушаков, который утверждал, что скорость эскадры определяется скоростью самого медленного судна, а широта кругозора - уровнем глаз смотрящего. Само понятие “лимитирующий фактор” возникло в 1823 г. в докторской диссертации Ju. Liebich, посвящённой связи между химическим составом почвы и развитием растений. В ХХ веке русским математиком И.А. Полетаевым был предложен принцип “смены лимитирующего фактора” в моделях биологических систем (цит. по [56]). В современном русском языке “лимитировать” - значит ограничивать, устанавливать предельное количество чего-либо [67]. Применительно к природным явлениям лимитирующим фактором обычно называется такое необходимое условие протекания процесса, которое определяет предельное значение его скорости. Это понятие широко используется при описании процессов тканевого метаболизма [36], но к физиологическим функциям на уровне целостного организма оно применяется сравнительно редко.

Между тем, очевидно, что наиболее эффективными и безопасными являются именно те терапевтические мероприятия, которые направлены на факторы, лимитирующие уровень жизнеобеспечивающих функций. Применительно к барбитуратной коме особенно важным представляется вопрос о том, при каких условиях интенсивность метаболизма лимитирована потребностью организма в свободной энергии, а при каких - способностью эту потребность удовлетворить. В первом случае можно ожидать положительного терапевтического эффекта от применения стимуляторов ЦНС, во втором - их действие, очевидно, окажется вредным.

Одним из ключевых показателей, характеризующих интенсивность обмена веществ, является интенсивность потребления кислорода организмом. Это связано с тем, что реакции переноса электронов на кислород более чем на 90 % обеспечивают ресинтез АТФ в человеческих клетках [36, 64], а расход кислорода является надёжным показателем энергетических затрат организма, составляя примерно 0,2 л на 1 ккал [31]. С участием молекулярного кислорода получается практически вся свободная энергия, обеспечивающая постоянство температуры тела [66].

Вследствие тесной связи с энергетическим обменом, а также благодаря простоте и высокой точности измерения, высокой чувствительности к изменениям функционального состояния организма, интенсивность потребления кислорода представляется информативным показателем в исследовании патогенеза барбитуратной комы. Поэтому вызывает удивление тот факт, что феномен снижения потребления кислорода организмом при барбитуратной коме остаётся мало изученным. В частности, не исследована роль системы массопереноса кислорода в изменениях его потребления при введении барбитуратов в полном диапазоне наркотических доз (а не только в летальных дозах), неясна роль хорошо известного биохимикам прямого действия барбитуратов на дыхательную цепь в депрессии газообмена на уровне целостного организма. Поэтому определение факторов, лимитирующих потребление кислорода организмом при различном по глубине наркотическом действии барбитуратов, представляется актуальной научной задачей.

Понятно, что необходимость в коррекции потребления кислорода может существовать лишь в тех случаях, когда возникает дефицит необходимой организму свободной энергии (наиболее яркими его проявлениями служат критическое снижение температуры тела и агональное состояние). Следующим шагом после констатации энергетического дефицита должно стать выявление фактора, лимитирующего снабжение организма свободной энергией. Известно, что в этом качестве при барбитуратной коме могут выступать процессы, обеспечивающие массоперенос кислорода в организме - ритмическая активность дыхательного центра, лёгочная вентиляция и кровообращение.

Не отрицая сам факт снижения интенсивности массопереноса кислорода в организме при погружении в наркоз, необходимо отметить, что причинная роль изменений массопереноса кислорода в отношении снижения интенсивности метаболизма остаётся недоказанной для случаев, когда имеет место ритмичное самостоятельное дыхание или осуществляется искусственная вентиляция лёгких. Поэтому во внимание должна быть принята и другая возможность, которая заключается в том, что при определённой глубине барбитуратного наркоза ни энергетические потребности организма, ни массоперенос кислорода не лимитируют уровень энергетического обмена.

Угнетение барбитуратами газообмена может быть обусловлено нарушением способности тканей экстрагировать из крови кислород в количестве, необходимом для полного удовлетворения энергетических потребностей. В этом случае ведущий механизм снижения теплопродукции и других потенциально летальных биоэнергетических нарушений, характерных для барбитуратной комы, первично возникает на клеточном уровне. Поэтому следующей актуальной научной задачей в проблеме барбитуратной комы является оценка состояния тканевых механизмов утилизации кислорода при введении барбитуратов в коматогенных дозах. На этой основе необходимо определить условия, при которых коррекция тканевых механизмов утилизации кислорода препятствует снижению температуры тела и летальному исходу при барбитуратной коме, а также предложить пути такой коррекции.

С учётом приведённых соображений, в ходе настоящего исследования преследовалась следующая цель: на основе выявления факторов, лимитирующих потребление кислорода организмом, сформулировать предложения по метаболической коррекции температуры тела и уменьшению летальности при барбитуратной коме.

Задачи:

1. Разработать экспериментальные модели, обеспечивающие возможность выявления факторов, лимитирующих потребление кислорода организмом, в различных интервалах диапазона наркотических доз барбитуратов.

2. Определить факторы, лимитирующие потребление кислорода организмом, в различных интервалах диапазона наркотических доз барбитуратов.

. Исследовать влияние коматогенных доз барбитуратов на состояние тканевых механизмов утилизации кислорода у экспериментальных животных.

4. Оценить влияние средств метаболической коррекции потребления кислорода организмом на температуру тела и выживаемость экспериментальных животных при моделировании барбитуратной комы.

Научная новизна. Впервые показано, что в пределах диапазона наркотических доз барбитуратов имеет место закономерная смена факторов, лимитирующих потребление кислорода организмом. При барбитуратном наркозе, не сопровождающемся гибелью животных, потребление кислорода лимитировано уровнем функциональной активности ЦНС. При бóльшей глубине барбитуратного наркоза у животных, имеющих ритмичное дыхание, потребление кислорода лимитировано субстратным пулом цикла Кребса, а у животных, имеющих периодическое дыхание - массопереносом кислорода из атмосферы в ткани. Впервые обнаружено развитие гипераммониемии у крыс при барбитуратной коме, а также установлено, что этот феномен на ⅓ определяет снижение потребления кислорода организмом при интоксикации тиопенталом натрия в дозах, близких к ЛД50.

Практическая значимость. Экспериментально обосновано применение препаратов, пополняющих пул интермедиатов цикла Кребса в тканях организма, для профилактики критического падения температуры тела и для снижения летальности при барбитуратной коме.

В ходе исследования получены данные, которые позволили вынести на защиту следующие основные положения:

1. Фактором, лимитирующим потребление кислорода организмом после введения барбитуратов в сублетальных наркотических дозах, является уровень функциональной активности центральной нервной системы. После введения барбитуратов в потенциально летальных дозах при сохранении ритмичного дыхания потребление кислорода организмом лимитировано пулом интермедиатов цикла Кребса, а на фоне развития периодического дыхания - массопереносом кислорода.

2. При барбитуратной коме имеет место гиперамммониемия, в среднем на ⅓ определяющая снижение потребления кислорода организмом при интоксикации тиопенталом натрия в дозах, близких к ЛД50.

. Терапевтическое применение препаратов, пополняющих пул интермедиатов цикла Кребса, позволяет замедлить снижение температуры тела и повысить выживаемость при барбитуратной коме.

Апробация работы. Результаты исследования были представлены на Всеармейской научно-практической конференции “Военная профилактическая медицина. Проблемы и перспективы” (Санкт-Петербург, 2002), научно-практической конференции “Медико-гигиенические аспекты обеспечения работ с особо опасными химическими веществами” (Санкт-Петербург, 2002), Российской научной конференции “Медико-биологические проблемы противолучевой и противохимической защиты” (Санкт-Петербург, 2004).

Реализация результатов исследования. Рекомендации, разработанные на основе полученных в ходе диссертационного исследования данных, используются в научной работе и учебном процессе на кафедре военной токсикологии и медицинской защиты Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова.

По теме исследования опубликовано 8 печатных работ.

• Определение предмета исследования
• Транспорт кислорода в организме в норме и при барбитуратной коме
• Генерация восстановительных эквивалентов в клетке и влияние на неё барбитуратов
• Влияние барбитуратов на перенос электронов в дыхательной цепи и сопряжённое с ним фосфорилирование
• Периферические эффекты барбитуратов и возможный характер их влияния на энергетический обмен в организме
• Постановка задач исследования
• Экспериментальные животные и моделирование барбитуратной комы
• Дизайн исследования
• Изучение потребления кислорода экспериментальными животными
• Изучение параметров внешнего дыхания у экспериментальных животных
• Изучение изменений температуры тела при барбитуратной коме
• Химическое исследование крови, выдыхаемого воздуха и гомогената головного мозга
• Статистическая оценка результатов исследования
• Разработка экспериментальных моделей
• Потребление кислорода и тепловое состояние организма при барбитуратной коме
• Влияние изменений интенсивности внешнего дыхания и содержания кислорода во вдыхаемом воздухе на его потребление организмом при барбитуратной коме
• Влияние стрихнина на потребление кислорода организмом при различной глубине барбитуратного наркоза
• Влияние биоэнергетических субстратов на потребление кислорода, тепловое состояние организма и выживаемость крыс при барбитуратной коме
• Содержание биоэнергетических субстратов в крови и головном мозгу при барбитуратной коме
• Взаимосвязь энергетического и азотистого обмена при барбитуратной коме
• Зависимость биоэнергетического статуса организма от глубины барбитуратного наркоза
• Роль изменений внешнего дыхания и системы массопереноса кислорода из лёгких в ткани в снижении потребления кислорода организмом при барбитуратной коме
• Роль уменьшения пула интермедиатов цикла Кребса в угнетении потребления кислорода организмом при барбитуратной коме
• Роль аммиака в формировании состояния пониженной энергетической обеспеченности организма при барбитуратной коме