science-review.ru
Введение
Современный этап экономического развития страны характеризуется рецессией наукоемкого промышленного производства, определяя высокую востребованность в научно-технических проектах полного инновационного цикла. В связи с этим первостепенное значение приобретают комплексные научно-исследовательские программы, объединяющие науку и производство: от момента получения новых научно-технических результатов до практического внедрения готовой продукции в реальный сектор экономики [1].
К этой категории программ относятся научные разработки в области жидкостного дыхания биологических объектов. Неослабевающий интерес научного сообщества к изучению технологии жидкостного дыхания обусловлен поиском превентивных мер при патологических состояниях, вызванных повреждающими факторами морской среды, такими как температура и давление [2, 3, 4]. Как известно, механизм развития декомпрессии обусловлен образованием свободного газа в тканях организма в результате стремительного понижения гидростатического давления морской среды. Быстро высвобождающиеся инертные газы (азот, водород, и др.) скапливаются в крови, внеклеточных жидкостях, жировой, мышечной и нервной тканях. Образующиеся газовые пузырьки в зависимости от размеров и места локализации оказывают деструктивное механическое, рефлекторное и гуморальное воздействие на органы и ткани биологического объекта. В свою очередь, неадекватное самостоятельное дыхание биообъекта на фоне выраженной гипотермии способствует развитию гипоксического состояния, приводя в итоге к функциональным и структурным повреждениям сердца и сосудов. При этом следует подчеркнуть, что серьезному поражению подвергается не только кардиореспираторный комплекс, но и нервная (головной и спиной мозг), костно-мышечная и другие системы, что в дальнейшем предопределяет рестрикцию функций организма и неизбежную инвалидизацию [5, 6]. Несомненно, выраженность патологической симптоматики зависит от экспозиции и глубины погружения и в итоге определяет выживаемость или гибель живого организма.
В связи с этим большое научное и практическое значение приобретает поиск технологических систем для обеспечения оптимальной легочной вентиляции биологического объекта в деструктивных условиях внешней среды [5, 6]. Перспективным направлением для решения данной проблемы является технология жидкостной искусственной вентиляции легких с задействованием индивидуального жидкостного дыхательного аппарата (ИЖДА) [7, 8].
Цель исследования – испытание экспериментального образца ИЖДА с замкнутым гидравлическим контуром в условиях принудительной тотальной жидкостной вентиляции легких биообъектов.
Материалы и методы исследования
Настоящее исследование проводилось на базе ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет» в научно-исследовательской лаборатории «Экспериментальные системы жизнеобеспечения биологических объектов» (НИЛ «ЭСЖБО»), г. Севастополь. Основанием для проектирования экспериментального образца ИЖДА замкнутого цикла послужило техническое задание на реализацию проекта по теме «Разработка и создание экспериментального образца глубоководного аппарата жидкостного дыхания с замкнутым гидравлическим контуром для глубин до 600 метров» (шифр «Инновация-2021/26/2»). Спроектированный и изготовленный экспериментальный образец ИЖДА (патент на полезную модель «Аппарат жидкостного дыхания» № 209285 от 14.03.2022 г.; патент на полезную модель «Установка для жидкостного дыхания в условиях гипербарии», № 202283 от 10.02.2021 г.) был задействован в опытно-экспериментальных работах в период с ноября по декабрь 2023 г. [7, 8].
При осуществлении научно-исследовательских работ в качестве биообъектов были задействованы 5 особей собак породы такса в возрасте 6 месяцев. Выбор данного вида лабораторных животных для проведения исследований обусловлен максимальной близостью их аллометрических межвидовых соотношений к организму человека по критическим параметрам кардиореспираторной системы. Масса тела лабораторных животных к моменту проведения эксперимента составляла 4000–6000 г.
В ходе опытно-экспериментальной работы непрерывно осуществляли контроль с регистрацией основных жизненно важных параметров лабораторного животного. Оценку физиологического статуса биообъекта обеспечивали посредством фиксации частоты сердечных сокращений (ЧСС), частоты дыхания (ЧД), сатурации крови кислородом (SpO2) и температуры тела (ТоС). Оценку состояния основных систем организма биообъектов осуществляли с помощью диагностических устройств Dixion Storm 5770 Vet (Китай), Тритон МПР 6 – 03 (Россия). В ходе эксперимента производили видеосъемку, позволяющую фиксировать поведение биообъекта в режиме реального времени. Регистрацию и управление основными параметрами дыхания биообъекта осуществляли посредством аналитического комплекса экспериментального образца ИЖДА. В ходе опытного испытания непрерывно контролировали парциальное давление дыхательной жидкости по О2, СО2, и ТоС. На протяжении всего эксперимента отслеживали графические и табличные тренды основных физиологических параметров биообъекта. Регистрацию ЭКГ и ректальной температуры лабораторного животного проводили посредством проводной системы передачи биологических сигналов электрокардиографа «Поли-Спектр – 8В» (Россия) и электронного термометра TPM-10 (Россия). Оценку кислотно-основного состояния (рН) газового состава, оксиметрии и электролитного состава венозной крови биообъектов реализовали с помощью переносного аппарата Едан i15 (Китай). В ходе проведения испытаний регистрировали (pCO2, pO2), метаболиты (глюкоза, лактат), формы гемоглобина (tHb, O2Hb, COHb, MetHb, HHb), SatO2 и гематокрит. На всех этапах опытно-экспериментальной работы с биообъектами задействовали инструментальные методы – эхокардиографию, ультразвуковое исследование сосудов и органов брюшной полости, рентгенографию органов грудной клетки и брюшной полости в дорсавентральной и левой латеральной проекциях. Ультразвуковое исследование осуществляли с помощью переносного ультразвукового сканера с цветным доплером Mindray Z6Vet (Германия). Рентгенографическое обследование производили с помощью рентгеновского аппарата DIG-360 (Корея). Статистическую обработку полученных результатов не проводили в связи с ограниченным объемом опытно-экспериментальных наблюдений.
Результаты исследования и их обсуждение
Основными назначениями спроектированного и изготовленного экспериментального образца ИЖДА с замкнутым гидравлическим контуром являлись: поддержание дыхательных циклов, удаление углекислого газа, растворение и подача кислорода в дыхательную жидкость для обеспечения оптимальных физиологических параметров биообъекта (рисунок).
Перед проведением опытно-экспериментальных работ с участием лабораторных животных осуществляли техническое испытание опытного образца аппарата ИЖДА. В ходе испытания определяли динамические характеристики работы гидравлической части аппарата для циклов вдоха/выдоха. Жидкостной дыхательный цикл аппарата характеризовался величинами дыхательного объема (л), соотношением времени вдоха/выдоха (1:2) и частотой цикла дыхания (вдоха/выдохов в 1 минуту). При этом максимальная величина давления в легких на вдохе не превышала 80 мбар, на выдохе – 60 мбар, а дыхательный объем ДЖ на вдохе и выдохе находился в диапазоне 0,15–0,3 л (ДО = 15–20 мл/кг). Важно обозначить, что переключение клапанов аппарата осуществлялось плавно, без гидроударов. При этом барометрические параметры, зарегистрированные в период испытаний аппарата ИЖДА, обеспечивают оптимальное давление, исключающее баротравмы и разрыв легочной ткани у биообъектов.
Общий вид аппарата ИЖДА с замкнутым гидравлическим контуром
После технического испытания экспериментального образца ИЖДА проводили опытно-экспериментальные работы с участием биологических объектов. Перед экспериментами лабораторные животные прошли стандартизированную процедуру допуска. Ветеринарная клиническая диагностика выявила удовлетворительный неврологический статус лабораторных животных. Частота сердечных сокращений регистрировалась в диапазоне 90,5–109,5 уд/мин, ректальная температура была зафиксирована на уровне 38,3–38,70С. Параметры дыхания лабораторных животных регистрировались в пределах среднестатистической нормы, усредненные значения частоты дыхательных движений составляли 42 дв./мин.
При реализации технологии жидкостного дыхания в лабораторных условиях необходима оценка общего кислородного статуса биообъекта. В настоящее время распространенной и наиболее информативной технологией является мониторинг кислотно-щелочного равновесия и газового состава крови лабораторных животных биообъекта [9]. Установление соотношения между рО2 и pCO2, метаболитов и электролитов в крови, отражающего степень насыщения крови кислородом с учетом ее кислотно-основного состояния, позволяет объективно оценить работу экспериментального образца ИЖДА.
В период карантина и подготовительного этапа испытаний аппарата ИЖДА у лабораторных животных параметры газового состава и метаболитов крови были зарегистрированы в референсных значениях нормы. В ходе испытаний аппарата ИЖДА (на 5-й минуте) рН крови лабораторных животных существенно не изменялся: диапазон значений составлял от 7,258 до 7,388. На 10-й минуте жидкостного дыхания у 20% лабораторных животных было зарегистрировано превышение показателя рН (до 7,504) на фоне остальных испытуемых с физиологическим диапазоном значений кислотно-щелочного гомеостаза. Далее, на восстановительном этапе, у биообъектов фиксировался разнонаправленный характер изменения водородного показателя: у 40% лабораторных животных зарегистрировано увеличение рН до значений 7,417 и 7,464, у 40% биообъектов снижение до 7,162 и 7,30. При этом у 10% лабораторных животных показатель кислотности регистрировался в пределах физиологической нормы (рН=7,364).
При диагностике кислородного статуса биообъектов важное значение имеют параметры напряжения кислорода и углекислого газа в крови биообъектов – рО2, pCO2. Так, в ходе испытаний (на 5-й минуте подключения аппарата ИЖДА) был выявлен довольно широкий спектр изменений рО2, как в сторону увеличения (у 40% лабораторных животных), так и в сторону снижения (у 10% биообъектов), на фоне физиологической нормы (50% биообъектов). Подобная динамика рО2 сохранялась на 10-й и 15-й минутах испытания. При апробации аппарата динамическому наблюдению подвергался и параметр pCO2, отображающий эффективность усвоения кислорода в соответствии с метаболическим запросом биообъекта. В ходе испытаний (на 5-й минуте подключения аппарата ИЖДА) зафиксировано снижение парциального давления углекислого газа в довольно широком диапазоне значений (23,2–39,5). Аналогичная тенденция изменения параметра pCO2 сохранилась и на 10–15-й минутах эксперимента, что свидетельствует об альвеолярной гипервентиляции (гипокапнии). Следует отметить, что в ходе дальнейшего наблюдения за лабораторными животными было зафиксировано постепенное восстановление основных показателей кислотно-щелочного баланса и газового состава крови.
Для получения более полной физиологической картины в ходе испытаний осуществляли оценку оксиметрических параметров. Особое внимание уделяли гематокриту (Hсt), определяющему отношение количества эритроцитов к общему объему крови. В ходе проведения эксперимента на 5-й минуте Hсt у подавляющего большинства лабораторных животных зафиксирован в пределах физиологической нормы, что свидетельствует об оптимальной кислородтранспортной функции крови испытуемых. Однако на 10-й минуте испытания у большинства лабораторных животных было зафиксировано некоторое снижение параметра Hсt, что, предположительно, обусловлено множественным забором проб крови в процессе осуществления испытания аппарата ИЖДА.
При оценке электролитов венозной крови у преобладающего большинства лабораторных животных были выявлены референсные значения ионизированного Na+, являющегося главным катионом внеклеточного пространства. Во время испытания аппарата ИЖДА следует указать на стойкое увеличение аниона Сl- в крови биообъектов на всех этапах эксперимента. Как известно, хлор выступает важным регулятором внеклеточного объема жидкости и осмолярности плазмы крови для поддержания оптимального кислотно-щелочного равновесия. В ходе оценки электролитного состава было выявлено также снижение концентрации катионов К+ и Ca+ в плазме крови 30% лабораторных животных. С одной стороны, уменьшение катионов К+ в крови лабораторных животных в процессе проведения испытаний аппарата можно расценить как наметившуюся тенденцию к формированию респираторного алкалоза. С другой стороны, сниженную концентрацию кальция в плазме крови можно связать с присутствием в крови лабораторных животных веществ (гепарина, цитрата и др.), связывающих этот макроэлемент во время забора крови.
Ультразвуковая диагностика, произведенная на всех этапах исследования, признаков патологии у лабораторных животных не выявила, свободная жидкость в брюшной полости не лоцировалась, увеличение лимфоузлов не зафиксировано. При ультразвуковом исследовании сердца определялась физиологическая геометрия левого желудочка. В ходе исследования структурных нарушений правого и левого предсердия биообъектов также обнаружено не было. Застойных явлений в малом кругу кровообращения и легочной гипертензии ультразвуковое исследование не выявило. Систолическая функция сердца биообъектов находилась в пределах физиологической нормы и обладала достаточным сократительным резервом и оптимальной фракцией выброса в состоянии покоя. Следовательно, сердечно-сосудистая система лабораторных животных на всех этапах опытно-экспериментальной работы оставалась в пределах физиологической нормы.
Анализ данных рентгенологического исследования показал, что в органах грудной клетки и брюшной полости животных очаговых и инфильтративных изменений обнаружено не было. Рентгенологическое исследование зафиксировало легочные поля прозрачными, без изменения легочного рисунка. Необходимо отметить структурность бронхов и отсутствие расширений в корнях легких практически всех биообъектов. В ходе диагностики определялись ровные четкие контуры диафрагмы со свободными реберно-диафрагмальными и латеральными синусами. Важно обозначить, что схожая рентгенологическая картина наблюдалась на всех этапах экспериментального исследования.
Заключение
При проведении опытно-экспериментальных работ с участием лабораторных животных выявлено, что аппарат ИЖДА с замкнутым гидравлическим контуром своевременно удаляет углекислый газ, растворяет и доставляет кислород в дыхательную жидкость для обеспечения физиологических констант дыхательного цикла биологического объекта. Оптимальная оксигенация со стабильным кислотно-основным состоянием крови биообъекта позволяет позитивно оценить работу экспериментального образца ИЖДА. Таким образом, технология тотальной жидкостной искусственной вентиляции легких является перспективным методом респираторной поддержки биообъектов. Зарегистрированные эмпирические данные свидетельствуют о целесообразности дальнейшего исследования протекторного действия жидкостного дыхания от повреждающих факторов внешней среды.
Библиографическая ссылка
Собянина Г.Н., Мальков С.Ю. ИСПЫТАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИНДИВИДУАЛЬНОГО ЖИДКОСТНОГО ДЫХАТЕЛЬНОГО АППАРАТА // Научное обозрение. Медицинские науки. 2024. № 6. С. 36-40;URL: https://science-medicine.ru/ru/article/view?id=1426 (дата обращения: 02.04.2025).
DOI: https://doi.org/10.17513/srms.1426