В течение последних двух десятилетий исследования токсического действия кислорода достигли высокой активности, что «обусловлено широким применением кислорода в различных областях промышленности и в медицине, в том числе при изучении подводных погружений. Развитие гипербарической оксигенотерапии, связанное с риском кислородное лечение легочной недостаточности под действием атмосферного давления способствовало увеличению числа больных, подвергающихся воздействию повышенного давления кислорода. Кроме того, широкое использование гипероксии для сокращения продолжительности и повышения эффективности декомпрессионных процедур, необходимых для работы военных и промышленных водолазов, привело к тому, что большой контингент здоровых людей также испытывает влияние повышенного давления кислорода.
В связи с широким применением гипербарической оксигенации глобальная зависимость живых биологических процессов от клеточных механизмов антиокислительной защиты, развившихся на протяжении многих веков адаптации организма к парциальному давлению кислорода в атмосфере Земли, получила глубокое осознание. В настоящее время стало очевидным, что при отсутствии этих механизмов кислород, необходимый для жизни, может вызвать смертельное отравление [McCord, Fridovich, 1978]. Следовательно, антиокислительная защита, которая, как считали раньше, была необходимой только в экстремальных условиях, в настоящее время считается одним из основных биологических процессов.
В дальнейших статьях будут подробно рассмотрены аспекты, сопутствующие кислородному отравлению, и освещены общие введения о биохимических изменениях, предшествующих явным токсическим поражениям, и антиокислительные механизмы, препятствующие таким изменениям. Безопасное и оптимальное использование полезных свойств кислорода требует знания его токсического влияния на чувствительные органы и функции организма и разработки эффективных способов развития врожденной устойчивости к его вредному воздействию на организм. Глубокое понимание основных механизмов кислородного отравления и противодействующей ему антиокислительной защиты способствует достижению этих целей.
Проявления кислородной интоксикации
Тяжесть кислородного отравления прогрессивно возрастает по мере повышения парциального давления кислорода во вдыхаемой газовой смеси и увеличения экспозиции. При достаточных давлении и продолжительности воздействия кислород вначале будет вызывать функциональные нарушения, а затем химическую деструкцию любой живой клетки. Многие из разнообразных проявлений кислородного отравления представлены на рис. 33 в обобщенном виде.
К признакам кислородного отравления легких относятся деструкция как эндотелия капилляров, так и эпителия альвеол, гиперплазия альвеолярных клеток, отек, геморрагия, утолщение и гиалинизация артериол, образование фибрина, ателектазы, сопровождаемые тяжелыми нарушениями газообмена, гипоксемией и приводящие к летальному исходу. Проявления кислородной интоксикации ЦНС по степени тяжести могут находиться в пределах от локальных судорог мышц до эпилептического припадка и, если экспозиция после появления этих признаков продолжается, то до прогрессирующей деструкции нервной ткани, стойкого паралича и смерти.
Среди проявлений кислородного отравления описаны также отслойка сетчатки, разрушение зрительных клеток и развитие слепоты, гемолиз эритроцитов, нарушение функций почек, сердца, печени, эндокринных органов.
Когда интактное животное или человек подвергается действию кислорода при токсических значениях парциального давления, очередность развития и тяжесть поражений различных органов и тканей зависят от дозы кислородного воздействия и относительной чувствительности тканей. В свою очередь кислородная доза для конкретной ткани определяется соотношением таких факторов, как артериальное Ро2 , кровоток, уровень метаболизма в тканях и плотность капилляров. Поскольку эти факторы неодинаковы для различных частей тела, то конкретные органы и ткани подвергаются действию различного по величине парциального давления кислорода во время дыхания этим газом под любым давлением окружающей среды.
В связи с тем что альвеолярное Ро2 превышает артериальное Ро2, на легкие оказывает влияние более высокое напряжение кислорода, чем на любой другой орган. При давлении кислорода в пределах 0,5—2 кгс/см2 экспозиция ограничивается развитием кислородного отравления легких. Однако во время воздействия кислорода под давлением 3 кгс/см2 или выше наиболее серьезные ограничения экспозиции обусловлены кислородным отравлением нервной системы, поскольку относительно высокая чувствительность ткани мозга обусловливает его поражение при меньшем парциальном давлении кислорода, чем большинства других органов.
ГИПЕРОКСИЯ
ГИПЕРОКСИЯ (hyperoxia; греч, hyper- + лат. ox[ygenium] кислород) — повышенное содержание (давление) кислорода в тканях организма вследствие увеличения его содержания во вдыхаемом воздухе, легких и крови. Характеризуется развитием комплекса физиологических реакций и патологических нарушений.
Нормальное парциальное давление кислорода (pO2) на высоте уровня моря составляет в воздухе 160 мм рт. ст., в альвеолах 100—105 мм рт. ст. Условия гипероксии можно создать обогащением воздуха кислородом или увеличением давления воздуха (или кислородной дыхательной смеси). В первом случае максимальное pO2 может достигать 760 мм рт. ст. (при дыхании 100% кислородом на уровне моря), во втором — может достичь любых уровней. При пониженном атмосферном давлении условия Г. за счет увеличения содержания кислорода в дыхательной смеси можно создавать только до высоты 10 000 м, где барометрическое давление составляет 200 мм рт. ст. На больших высотах вследствие прогрессирующего падения барометрического давления даже при дыхании чистым кислородом организм будет испытывать не избыток, а недостаток его.
В зависимости от величины внешнего давления гипероксическую газовую среду разделяют на нормобарическую (давление 760 мм рт. ст.), гипобарическую (менее 760 мм рт. ст.) и гипербарическую (более 760 мм рт. ст.).
Первые два вида имеют место в авиации при использовании кислорода для дыхания с целью предупреждения гипоксии (см.) или для десатурации организма от азота, а также в леч. практике, когда кислород применяется как терапевтическое средство (см. Кислородная терапия). Условия гипербарической Г. встречаются в водолазной практике при дыхании в изолирующих приборах кислородом под давлением более 1 атм, а также при так наз. гипербарической оксигенотерапии декомпрессионной болезни, отравлений угарным газом, газовой гангрены, столбняка, ожогов и других заболеваний, в развитии которых доминирует гипоксический фактор (см. Гипербарическая оксигенация). Изучается проблема целесообразности использования гипероксических сред для улучшения кислородного режима организмов, находящихся в неблагоприятных условиях существования (некоторые виды производства и т. д.).
Читайте также: Город по производству тканей в китае
Реакции организма при Г. разнообразны. Их выраженность и направленность зависят от уровня повышенного pO2 в легких и длительности его действия.
Начальные реакции организма в гипероксических условиях являются физиол, и имеют приспособительное значение. Происходит урежение дыхания и сердечного ритма, снижение объема легочной вентиляции, систолического и минутного объема сердца, сужение сосудов сетчатки глаза и головного мозга, депонирование крови в паренхиматозных органах, уменьшение объема циркулирующей крови и т. д. Все это направлено на ограничение чрезмерного повышения pO2 в тканях (особенно в головном мозге), на поддержание оптимального кислородного режима в мозговых центрах. В формировании этих реакций большая роль принадлежит снижению функциональной активности хеморецепторов рефлексогенных сосудистых зон под влиянием высоких уровней pO2 в артериальной крови. Эффективность защитных реакций относительна, поскольку они нередко осложняются развитием противоположных реакций. Так, сужение капилляров и замедление кровотока приводят не только к уменьшению нарастания pO2 в тканях, но и к задержке в них углекислоты — т. е. к гиперкапнии (см.). Последняя вызывает расширение сосудов, нивелируя тем самым защитную сосудистую реакцию на кислород.
С увеличением pO2 в гипероксических средах и удлинением экспозиции развиваются патол, реакции, перерастающие в типичную картину кислородного отравления.
Токсическое действие кислорода проявляется в основном двумя формами отравления: легочной и судорожной. При первой форме развиваются ателектазы, отек и другие формы поражения легких. При второй форме, в случае гипербарической Г. (pO2 более 3 ата), поражается ц. н. с.: в сравнительно короткие сроки развиваются судороги — характерный признак резкого возбуждения нервных центров. В тяжелых случаях обе эти формы могут закончиться летальным исходом.
Выделяют еще третью, общетоксическую форму, развивающуюся при pO2 в пределах 1—4 ата, когда не успевают развиться легочные поражения и судороги, но патол, нарушения наблюдаются со стороны многих органов и тканей.
Токсический эффект избытка кислорода является функцией уровня pO2 и времени действия. Безопасная экспозиция нормобарической Г. для здорового человека составляет несколько часов. При pO2 более 3 ата симптомы кислородного отравления могут развиться через несколько минут.
Отмечается выраженная вариабельность индивидуальной чувствительности здорового человека к кислородной интоксикации по времени перехода физиол, реакций в патологические. Установлены также индивидуальные и видовые особенности развития Г. у животных; достаточно четко прослеживается прогрессивно снижающаяся устойчивость к Г. в процессе фило- и онтогенеза организмов. Физ. нагрузка, углекислый газ, низкая температура, наркотические концентрации индифферентных газов усугубляют проявления Г.
Механизм токсического действия кислорода на организм в условиях Г. полностью не изучен. Полагают, что при Г. кислород, подобно проникающей радиации, является фактором универсального действия, в основе к-рого лежит угнетение тканевого дыхания, и в частности дыхательных ферментов, содержащих SH-группы. Общность отдельных звеньев патогенеза Г. и проникающей радиации обусловила близость по химическому составу средств защиты от этих факторов: они содержат в основном группы антиокислителей (см.).
Клинические проявления
Субъективными симптомами кислородной интоксикации (легочная форма Г.) являются ощущение сухости во рту, першение в носоглотке, сухой кашель, жжение и боль за грудиной, усиливающиеся при глубоком вдохе, отмечаются спазмы периферических сосудов, появляется ощущение онемения пальцев рук, кончика носа, щек.
Наиболее ранним объективным признаком поражения кислородом легких считают снижение жизненной емкости легких, обусловливаемое как боязнью усиления болей и возникновения кашля при глубоком вдохе, так и образованием диффузных мелкоочаговых ателектазов. Патогенез ателектазов усматривают в исчезновении «опорной» функции инертного газа, в токсическом действии кислорода на эндотелий легочных капилляров, что повышает их проницаемость. Вымывание поверхностноактивного вещества (сурфактанта) с поверхности альвеол увеличивает их поверхностное натяжение, способствует спадению альвеол и развитию ателектазов. Спазмы и повышение проницаемости капилляров, по-видимому, лежат также и в основе отека легких при Г. Вследствие повреждения кислородом альвеоло-капиллярной мембраны и регионарных нарушений вентиляционно-перфузионных отношений прогрессивно снижается диффузионная способность легких. Отмеченные функциональные и морфол, нарушения в легких могут, т. о., привести к развитию кислородного голодания и гибели организма даже в условиях избытка кислорода.
Кислород оказывает токсическое действие и на другие органы и системы организма (кровеносная система, сердце и др.). Снижается осмотическая резистентность эритроцитов, уменьшается ферментная активность лимфоцитов, фагоцитарная активность нейтрофилов. Нередко изменяется ЭКГ: увеличивается амплитуда зубцов T и уширяются зубцы Р.
Гипербарическая Г. у теплокровных животных проявляется преимущественно развитием судорог — судорожная форма Г. У холоднокровных животных судорожные движения наблюдаются при больших уровнях pO2 (20 ата и более).
У человека развитие судорожной формы кислородного отравления проходит две фазы. В начальной фазе наблюдаются подергивания мышц губ, век и шеи, онемение пальцев рук и ног; появляется звон в ушах, тяжесть и боль в голове, суживается поле зрения, учащается сердцебиение и дыхание, иногда тошнота, рвота и потемнение в глазах. Во второй фазе внезапно развиваются судороги по типу эпилепсии с потерей сознания и последующей амнезией. Первый приступ судорог обычно длится 1—2 мин., затем после короткой паузы вновь начинаются судороги, но уже более продолжительные. Чем больше уровень pO2, тем продолжительнее судороги и короче паузы между ними.
Читайте также: Название тканей клеток с хлоропластами
В происхождении судорог при Г. ведущую роль играют процессы резкого возбуждения всех отделов ц. н. с., особенно стволовой части головного мозга, а также нарушение процессов тканевого дыхания.
Лечение кислородного отравления любой формы сводится в основном к нормализации режима дыхания организма, т. е. к переходу на дыхание воздухом. Переход на дыхание воздухом в некоторых случаях временно отягощает состояние. Но чаще пострадавший погружается в глубокий сон, который длится до 90 мин. Иногда в этот период человек находится в состоянии обморока или, наоборот, резкого нервного возбуждения. Медикаментозные средства (противосудорожные, сердечные, седативные) назначаются по показаниям.
Профилактика должна предусматривать выполнение разработанных мер безопасности, предупреждающих переход физиол, реакций в патологические, для чего прежде всего необходимо обеспечивать адекватность уровня pO2 и времени экспозиций гипероксических сред, используемых как в леч. целях, так и в практике отдельных профессий. Фармакол, средства, применяемые против токсического действия кислорода, напр, антиокислители, полностью не предотвращают, а лишь ослабляют его действие.
Библиография: Гeнин А. М. и др. Физиологические критерии ранних токсических проявлений нормобарической гипероксии, Изв. АН СССР, сер. биол., №-3, с. 380, 1973; Глазкова В. А. и Черняков И. Н. Влияние повышенного парциального давления кислорода на кислотно-щелочное состояние крови, Космич. биол, и мед., № 5, с. 68, 1973; Жирон-к и н А. Г. Кислород, физиологическое и токсическое действие, Л., 1972;
Майлс С. Подводная медицина, пер., с англ., с. 113, М., 1971; Основы космической биологии и медицины, под ред., О. Г. Газенко и М. Кальвина, т. 2, кн. 1, М., 1975, библиогр.)
Избыток кислорода в тканях
Влияние концентрации кислорода на клеточном уровне
Кислород необходим всем аэробным организмам. Значение кислорода в жизненном цикле организмов сложно переоценить, но слишком большое количество этого элемента становится главный фактором образования токсичных для организма веществ. Образуются активные формы кислорода: атомарный кислород, пероксид водорода, пероксиды липидов (одно из проявлений пагубных воздействий пероксидов липидов является взаимодействие свободных радикалов с ненасыщенными жирными кислотами мембран, нарушая их структуру), пероксильные радикалы (протонированная форма супероксида с формулой HO2•), оксид азота, гипохлорид (НОСl). Эти вещества являются сильными окислителя биологических жидкостей и может повреждать ткани в результате реакции с липидами, белками, ДНК, аминокислотами и некоторыми другими молекулами. [1]
АФК постоянно образуются как нормальные продукты метаболизма кислорода. Нормальные функции АФК включают активацию иммунной системы и мобилизацию системионного транспорта. Например, клетки крови на месте повреждения начинают продуцировать АФК, что рекрутирует тромбоциты, необходимые для начала процесса заживления раны. АФК также запускают программируемую клеточную смерть (апоптоз). Но высокая концентрация АФК в клетке может способствовать не программированной смерти клетки.
Образование активных форм кислорода в клетке
Молекулярный кислород (O2) имеет два неспаренных электрона на отдельных орбиталях во внешней электронной оболочке. Эта химическая структура усиливает генерацию АФК.
В целом, основными эндогенными источниками АФК у человека и, в частности, у новорожденного являются метаболизм митохондрий, повышенное содержание переходных металлов в свободном обращении, воспаление через реакции НАДФН-оксидазы, гипоксия-реоксигенация, гипероксия, и парадоксальным образом, гипоксия.
АФК в клетке образуются в процессе окислительно-восстановительных реакций. Одними из главных генераторов являются пероксисомы, образуя пероксид водорода. Н2О2 является самым стабильным соединением из возможных восстановленных форм кислорода и менее реакционно способным, по сравнению с другими. Он играет сигнальную функцию, а при присутствии активаторов из пероксида образуется гидроксильный радикал. Гидроксильный радикал обладает высокой реакционной способностью и может разрушить практически все клеточные структуры, но он имеет очень короткое время жизни и не способен диффундировать на значительные расстояния.[2]
Так же АФК образуется в лизосомах, микросомах, эндоплазматическом ретикулуме, цитозоле, протеосомах, а также цитоплазматической мембране.
Дыхательная цепь митохондрий служит основным источником активных форм, в которых потребляемый кислород восстанавливается до воды в процессе окислительного фосфорилирования кислорода.
В большинстве случаев образование АФК связано с метаболическими путями в клетках, такими как окисление жирных кислот и углеводов, окислительной конформации белков. При этом образование АФК находится под строгим метаболическим контролем, который включает компартментализацию окислительных реакций.
Роль АФК в патологии клетки
Активные формы кислорода могут как обратимо, так и не обратимо окислять или восстанавливать биологические молекулы, но легче всего взаимодействуют с молекулами, в состав которых входят атомы с переменной валентностью (сера, железо и т.д.). Например, в метаболизме железа, который очень важен для правильного неврологического развития и роста, образуется токсичный OH • . При большой концентрации железа в организме трансферрин плазмы становиться перегруженным и свободные формы железа вступают в реакции с восстановленным кислородом, происходит реакция Фентона-Гарбера Вейсса:
Читайте также: Нейлон из чего эта ткань
Основные виды повреждения биомолекул гидроксильным радикалом:
· отрыв атома водорода (таким образом повреждается лецитин — компонент биологических мембран, а также сахара в составе нуклеозидов ДНК)
· присоединение к молекулам по двойным связям (взаимодействие с пуринами и пиримидинами ДНК и РНК, перенос электронов также является важным в повреждающем действии ОН)
Прямое повреждение ДНК при этом характеризуется разрывом цепи, окислением оснований, их модификации, образованием гидропероксидов ДНК, повреждением хромосом. С белками ОН образует гидропероксиды, что может изменить третичную структуру белков и даже вызывать их агрегацию и денатурацию. Это приводит к нарушению ферментативной и регуляторной активности многих процессов. С липидами ОН образует перекисные соединения.
Митохондрии более всех других органелл подвержены атаке АФК и, как следствие, повреждению мембранных липидов, белков, ДНК и даже гибели. Причем для гибели митохондриям не требуется никаких дополнительных белков, кроме тех, которые присутствуют в них самих. АФК служат элементом отрицательной обратной связи, блокируя ферменты цикла Кребса и осуществляя переход с аэробного на анаэробный гликолиз, а также обеспечивая соответствие энергетического метаболизма потребности и возможности клетки.
Митохондрии обладают мощной антиоксдантной системой для защиты от пагубных влияний АФК. Она включает в себя ферменты супероксиддисмутазу, пероксидазу и глутатионпероксидазу (деградация перекиси водорода), а также глутатион, восстановленную форму коэнзима Q, аскорбиновую кислоту и другие низкомолекулярные антиоксиданты. Если защитная система не справляется, то в клетке развивается окислительный стресс. АФК перестают выполнять сигнальные функции и проявляют деструктивные. Начинается разрушение липидов, белков и практически всех клеточных структур. Наблюдается разрушение митохондриальных структур от мембраны до митохондриальных ДНК (мтДНК).
Окислительный стресс является причиной множества дегенеративных заболеваний (болезнь Альцгеймера, появление онкологических заболеваний, и т.д.), старения и гибели клетки. Активные формы кислорода, образующиеся в митохондриях, рассматриваются в качестве основного фактора развития внутриклеточного окислительного стресса под воздействием гипоксии, ишемии и реперфузии.
Гипоксия и гипероксия у недоношенных и влияние АФК на развитие ребенка
В течение родов ребенок из относительной гипоксии попадает в относительную гипероксию, а высокая концентрация кислорода после гипоксии вызывает окислительный стресс. Так как у новорожденных повышен риск к оксидативному стрессу (из-за недостатка анти- и прооксидантов таких как: глутатионпероксидазы, аскорбиновая кислота, рибофлавин, суперооксидимудазы и т.д.), терапия новорожденных в первую неделю после рождения (ИВЛ, оксигенотерапия, парентеральное кормление) усугубляет оксидативный стресс.
Уровень и активность наиболее важных антиоксидантных ферментов динамически изменяются в процессе развития и созревают в последние недели беременности, подготавливая плод к дыханию легким. Следовательно, недоношенные младенцы особенно подвержены окислительному стрессу поскольку они не готовы к относительной гипероксии во внематочной жизни. Показано, что 30-минутное воздействие 100% О2 при рождении может вызвать значительное увеличение перекисного окисление липидов у новорожденных овец.
В клинических условиях было признано, что генерация АФК после гипероксии ответственна за повреждения легких, центральной нервной системы, сетчатки и эритроцитов, а также за общее повреждение тканей, о котором можно сообщать как в неонатальном периоде, так и во взрослой жизни.
Сосредоточившись на неонатальном периоде, следующие параграфы объясняют механизмы как краткосрочных, так и долгосрочных токсических эффектов введения кислорода и гипероксии на различные органы и системы организма.
Развитие легких недоношенных при гипероксии
Респираторные нарушения занимают ведущее место в структуре патологии недоношенных детей. Дыхательная недостаточность, возникшая в раннем неонатальном периоде у недоношенного ребенка, является наиболее частой причиной смертности новорожденного и формирования хронической патологии дыхательной системы в последующем.
Гипероксия и генерация АФК крайне вреден для легких. Токсические радикалы кислорода запускают реакции, которые приводят к развитию воспалительного процесса в легких, к инактивации сурфактанта и антипротеаз, нарушению проницаемости альвеолярно-капилярной мембраны, усилению притока в интерстиций нейтрофилов и макрофагов, выходу из сосудов больших количеств провоспалительных цитокинов и медиаторов воспаления.
Моделирование кислородного повреждения легких на животных помогает в исследовании и лечении данных повреждений на людях. North et al. показали, что 100% концентрация кислорода вызывает у мышей фетотипически похожее на бронхолегочную дисплазию (БЛД) заболевание. Так же было обнаружен, что новорожденные мыши могли жить при максимальной концентрации кислорода в течение недели, тогда как взрослые особи умирали в течение нескольких дней. Еще одно исследование, которое доказывает, что кислород тоже вызывает у животных БЛД было проведено Делемосом Р.А и др. Они сообщили, что недоношенные павианы имели наименьшее повреждение легких при оптимальном системном артериальном давлении ( 93–95% частоту РН. При строгом контроле O2насыщения, частота РН и потребность в лазерной терапии резко снизились во всех категориях веса при рождении.Подобный опыт изменения практики отделения интенсивной терапии новорожденных с минимального акцента на насыщении на строгое целевое значение насыщения до 85–93% привел к снижению РН и БЛД.[4]
Эти отчеты в совокупности предоставляют информацию о том, что у недоношенных детей можно лечить с насыщением
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом