Автореферат и диссертация по медицине (14.00.32) на тему:Физиолого-гигиеническое обоснование новых методов обеспечения организма кислородом в экстремальных условиях

Актуальность проблемы

Проблема обеспечения жизни человека в гермообъектах наземного базирования, обитаемых космических комплексов, подводных аппаратов и глубоководных водолазных комплексов в настоящее время остается предметом тщательных научных исследований. От ее решения зависит успех дальнейшего освоения мирового океана и космического пространства в целях их практического использования.

Для обеспечения нормальной жизнедеятельности человека в экстремальных условиях гермообъекта, прежде всего, требуется обеспечить поступление в газовую среду кислорода. В пределах гермообъектов кислород не производится, а необходимое его количество либо запасается, либо поступает извне. Для гермообъектов необходимы надежные специальные устройства генерирования кислорода. Генераторы кислорода необходимы и в таких сферах деятельности как практическая медицина, пожарное дело, высотная авиация.

Основным методом промышленного получения кислорода является криогенная ректификация из атмосферного воздуха. В ГОСТ 5583-78 «Кислород газообразный технический и медицинский» оговорено применение полученного таким методом кислорода для дыхания и в медицинских целях. Однако его использование в гермообъектах имеет определенное ограничение. Недостатками всех кислородных блоков систем жизнеобеспечения с использованием запасов кислорода в чистом виде (в баллонах высокого давления или в виде жидкого кислорода) являются сложность технической реализации и высокие требования к подготовке обслуживающего персонала вследствие высокой взрыво- и пожароопасности. Для применения в медицине баллонный кислород мало доступен в очагах природных катастроф и военных конфликтов, в отдаленных районах.

В настоящее время известно множество способов получения Ог из кислородосодержащих веществ, которые могут применяться в СЖО гермообъектов. К таким веществам относятся надперекиси и перхлораты щелочных металлов, перекись водорода, вода (Гришаенков Б.Г., 1975; Морозов Г.И.,1977; Серебряков В.Н.,1983; Козярин И.П. и др., 1980 и 1991; Гузенберг А.С., 1994).

Все большее применение получает метод получения кислорода из твердых кислородсодержащих соединений (ТКС). ТКС на основе перхлоратов щелочных металлов успешно использовались на орбитальной станции "Мир" (Нефедов Ю.Г., Адамович Б.А.,1988; Смирнов И.А., 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. Пожаробезопасность гермообъекта определяется возможностью горения конструкционных материалов и сохранением сознательной и целенаправленной деятельности человека в условиях пожара с целью его ликвидации.

С технической точки зрения, чем меньше концентрация кислорода в газовой среде или смеси, тем более безопасен аппарат или устройство. Приемлемым верхним уровнем по оценке специалистов ВНИИ Противопожарной обороны является 10-13% Ог, когда возгорание большинства горючих материалов исключено. С точки зрения физиологии, безопасным нижним пределом является 17% Оо. Ниже этого значения начинается кислородное голодание организма с развитием адаптивных, а затем и патологических реакций. Способом, примиряющим это противоречие, может стать физиологически активная газовая среда, способная нивелировать отрицательные эффекты гипоксии. С точки зрения эффективности действия и простоты технической реализации наиболее привлекательным представляется введение в дыхательную газовую среду некоторого активного компонента.

В качестве такого активного агента может быть использован инертный газ аргон. В 1950г. S.F.Cook 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. 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.

Сложную техническую проблему представляет собой создание системы обеспечения газового состава (СОГС), как одной из систем СЖО. Основой для проектирования и создания СОГС являются характеристики газообмена обеспечиваемого биологического объекта. В ГНЦ РФ ИМБП РАН создается модуль с автономной системой жизнеобеспечения для экспериментов на лабораторных грызунах (монгольская песчанка) в условиях непилотируемого орбитального полета. Для космической биологии этот объект является принципиально новым. Задача существенно осложняется необходимостью создания полностью автономного модуля малого объема (общий объем около 50 л).

Таким образом, изучаемые в работе новые методы обеспечения кислородом включают в себя: способы получения кислорода; приемы, способствующие адекватному снабжению кислородом организма в неблагоприятных или даже несовместимых с жизнью условиях (гипоксическая гипоксия при концентрации Ог равной 4-5%об.); отработку системы кислородообеспечения в экспериментах на принципиально новом для космической биологии виде грызунов. Схехма исследований приведена рисунке 1.

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).

ФИЗИОЛОГО-ГИГИЕНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ НОВЫХ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОРГАНИЗМА КИСЛОРОДОМ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

Гермообъекгы

Подводные лодки и глубоководные аппараты, пилотируемые космические аппараты, подземные и наземные объекты специального назначения

Медицина катастроф, экстремальная медицина, первая медицинская помощь

Кислородная терапия

Оказание экстренной медицинской помощи на месте

Газовая среда

V

Сист кислоро, пече ема цообес-ния

Дыхательные газовые смеси на основе аргона, коррекция гипоксических состояний

Твердые кислородсодержащие соединения оригинального состава

Оказание медицинской помощи в стационаре

Короткоцикловая безнагревная адсорбция

Оценка эффективности аварийных средств регенерации газовой среды

Отработка системы кислородообеспечения герметичного модуля малого объема с автономной системой жизнеобеспечения для летных экспериментов на грызунах

Санитарно-химическая, токсикологическая и физиологическая оценка в исследованиях с участием человека, оценка влияния на эмбриогенез

Определение основных параметров газообмена монгольских песчанок как нового объекта космической биологии

- функциональные связи

- аппаратная реализация

- направление исследований

Рисунок 1 - Схема исследований

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 ЗАО «СКБ 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» (per. № 2005136619).

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 гермообъекгов 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 r; The 1st inteenational cancer & aids confeeence, Seoul, 2001 r.

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.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

ВЫВОДЫ

1. Кислород, получаемый из твердых источников оригинального состава, по чистоте превосходит кислород медицинский. Кислород, полученный из твердых кислородсодержащих соединений оригинального состава, по своему действию на организм животных и человека не отличается от действия от кислорода газообразного медицинского по действующему ГОСТ, полученного низкотемпературной ректификацией из воздуха, на основании чего было получено разрешение Минздрава РФ на его использование в медицинских целях и для дыхания.

2. Показано, что кислород, полученный методом короткоцикловой безнагревной адсорбции на цеолитах, имеет измененные физико-химические свойства. При этом, относительно кислорода медицинского по действующему ГОСТ повышена концентрация аргона до 4,5%, в три раза снижен эффективный коэффициент диффузии кислорода в цеолите, изменяется соотношение изотопов: увеличен процент изотопа О16 (99,703 и 99,659

17 18 соответственно), снижен процент изотопов О (0,071 и 0,084 соответственно) и 0'° (0,226 и 0,258 соответственно).

3. Кислородообогащенные газовые смеси, полученные методом короткоцикловой безнагревной адсорбции на цеолитах, по своему действию на взрослый организм животных и человека не отличаются от действия кислорода медицинского по действующему ГОСТ.

4. Кислород, полученный методом безнагревной короткоцикловой адсорбции на цеолитах, нормализует эмбриогенез японского перепела в условиях низкого (10%) и повышенного (35%) содержания кислорода.

5. Аргон в гипоксических дыхательных средах является метаболически активным газом, способствует нормализации кислородозависимых процессов в гипоксических газовых средах и может послужить основой для создания пожаробезопасных дыхательных газовых сред гермообъектов различного назначения.

6. Индивидуальный аппарат «Малыш-К», как средство регенерации газовой среды гермообъектов по кислороду и углекислому газу в аварийных ситуациях и функционирующего только за счет энергии внешнего дыхания человека, работоспособен в условиях гермообъекта и обеспечивает содержание кислорода и углекислого газа в газовой среде в соответствии с ГОСТ Р 50804-95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате» за счет энергии легочной вентиляции экипажа. Время защитного действия составляет не менее 10 часов.

7. При изучении основных показателей газообмена монгольских песчанок применительно к условиям космического полета установлено:

- в краткосрочных экспериментах получены данные по потреблению кислорода (2,1 л/сутки на 1 животное) и выделению диоксида углерода (1,84 л/сутки на 1 животное).

- система газообеспечения автономного модуля для песчанок для группы 12 голов должна обеспечить в 21-суточном непилотируемом орбитальном полете:

- запас кислорода, л, не менее 530

- удаление СОг , л, не менее 464

Полученные результаты использованы при разработке автономного модуля содержания животных в космическом полете «Контур-JI» (изделие 066114.002.00.000). Опытный образец модуля «Контур-Л» изготавливается на ФГУП «Завод точных приборов». Принято решение о включении модуля в состав научной аппаратуры КА «Фотон» №3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, исследования проводились в двух направлениях: исследование нетрадиционных способов получения кислорода (твердые кислородсодержащие соединения, короткоцикловая безнагревная адсорбция на цеолитах);

- разработка приемов, способствующих адекватному снабжению кислородом организма в неблагоприятных или даже несовместимых с жизнью условиях (физиологически активные дыхательные газовые смеси на основе аргона, индивидуальные аварийные средства регенерации газовой среды).

Схема проведенных исследований приведена на схеме.

В экспериментах на животных и в ходе исследований с участием человека было установлено, что кислород, полученный из твердых кислородосодержащих соединений оригинального состава по своему воздействию на организм не отличается от кислорода, полученного методом низкотемпературной ректификации. Результаты работ послужили основой для проведения клинических испытаний кислорода, получаемого из ТКС. Кроме кислорода, полученного методом низкотемпературной ректификации по ГОСТ 5583-78, кислород из ТКС стал первым, получившим разрешение на использование в качестве кислорода медицинского. На основании выполненного комплекса на базе ЗАО «СКВ ЭО при ГНЦ РФ - ИМБП РАН» разработаны и выпускаются малыми сериями термохимические генераторы кислорода «Нерпа», «Тополь», «Тополь-М».

Установлено, что кислород, полученный путем короткоцикловой безнагревной адсорбции, по своему воздействию на взрослый организм не отличается от кислорода, полученного методом низкотемпературной ректификации. В ходе исследований было показано, что он имеет измененные, относительно кислорода медицинского, физико-химические свойства (изотопный состав, диффузионная способность). Было также показано, что он нормализует эмбриогенез японского перепела в среде инкубации с низким содержанием кислорода и положительно влияет на показатели оксигенации крови пациентов с тяжелой формой легочной недостаточности. Эффект может быть использован в практической медицине, что требует проведения дальнейших углубленных исследований.

Впервые установлено, что присутствие аргона в дыхательной газовой смеси с низким содержанием кислорода (4-10% об.) ведет к сохранению аэробного энергообмена млекопитающих на уровне, близком к таковому при дыхании атмосферным воздухом. В условиях гипоксической гипоксии аргон оказывает разнонаправленное влияние на концентрацию глюкозы в крови. При относительно высоком содержании кислорода (10 % об.) увеличение содержания аргона ведет к понижению концентрации глюкозы. При низком содержании кислорода (6-7% об.) увеличение содержания аргона ведет к одновременному

ФИЗИОЛОГО-ГИГИЕНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ НОВЫХ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОРГАНИЗМА КИСЛОРОДОМ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

Гермообъекты подводные лодки и глубоководные аппараты, пилотируемые космические аппараты, подземные и наземные объекты специального назначения

Газовая среда

Медицина катастроф; экстремальная медицина, первая медицинская помощь

Кислородная терапия

Оказание экстренной медицинской помощи на месте

Система кислородообес-печения

Дыхательные газовые смеси на основе аргона: разработана физиологически активная пожаробезопасная газовая среда с пониженным содержанием кислорода

Оказание медицинской помощи в стационаре

Получение 02 из ТКС оригинального состава и способом КБА:

О2 по своему действию на взрослые организмы не отличается от 02 по ГОСТ 5583-78; получено разрешение на использование в медицине

Оценка эффективности аварийных средств регенерации газовой среды: индивидуальное средство регенерации газовой среды по 02 и С02 «Малыш-К» позволяет поддерживать нормальный состав среды в течение 5-10 часов при полном отказе штатных систем газообеспечения. Разрабатывается летный образец аппарата.

Отработка системы кислородообеспечения модуля малого объема с автономной системой жизнеобеспечения для летных экспериментов на грызунах: впервые определены показатели газообмена монгольских песчанок как нового объекта космической биологии; в имитационных экспериментах отработаны технологические процессы системы газообеспечения. Идет изготовление летного образца модуля «Контур-Л» санитарно-химическая, токсикологическая и физиологическая оценка, включая оценку влияния на эмбриогенез физиологическая оценка

- функциональные связи

- аппаратная реализация

- проведенные исследования

Схема проведенных исследований повышению концентрации глюкозы. В диапазоне содержания кислорода 8,5-9,5% аргон не оказывает влияния на концентрацию глюкозы. Присутствие аргона в гипоксической среде инкубации яиц японского перепела положительно влияет на эмбриогенез. Таким образом, аргон является метаболически активным агентом.

На эгой основе разработана концепция формирования физиологически активной пожаробезопасной дыхательной газовой среды гермообъектов с пониженным содержанием кислорода на основе инертного газа аргона. 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. На этой основе открывается возможность разработки новых гипоксических пожаробезопасных газовых сред, которые позволяют поддерживать высокий уровень работоспособности человека и способствующих выживанию в экстремальных условиях.

Проведены испытания индивидуального средства регенерации атмосферы гермообъектов «Малыш-К». Показано, что при его применении состав атмосферы остается пригодным для дыхания. При этом члены экипажа имеют возможность снимать аппарат на период до 1 часа для приема пищи, проведения ремонтных работ, оказания медицинской помощи и др. Аппарат находится на стадии разработки эскизного проекта летного образца для использования на МКС. Подана заявка на патент на индивидуальный аппарат регенерации газовой среды гермообъекта по кислороду и углекислому газу «Малыш-К» (per. №2005136619).