Главная
страница 1страница 2 ... страница 6страница 7

На правах рукописи


Солдатов Павел Эдуардович

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 Б.Н.Павлов


Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук, профессор Воложин Александр Ильич

доктор медицинских наук Мухамедиева Лана Низамовна

доктор медицинских наук, профессор Кобрин Владимир Исаакович


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. Буравкова Л.Б.



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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 О2 из кислородосодержащих веществ, которые могут применяться в СЖО гермообъектов. К таким веществам относятся надперекиси и перхлораты щелочных металлов, перекись водорода, вода (Гришаенков Б.Г.,1964-1975; 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, а также сохранением сознательной и целенаправленной деятельности экипажа по его ликвидации.

В 1964 г. А.М.Гениным (СССР) и, независимо от него, Лембом Л.Е. 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 (Павлов Б.Н., Солдатов П.Э., Дьяченко А.И. и др., 1998-2005 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 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» (рег. № 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 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.


Таблица 1 - Объем исследований





Цель эксперимента



Объект



Основные исследуемые показатели


Кислород из твердых кислородсодержащих соединений оригинального состава (ТКС)

1

Оценка длительного непрерывного воздействия в условиях нормоксии

Крысы Wistar, 100 шт, 14 сут

Биохимические и гематологические показатели крови, весовые коэфф. внутр. органов

2

Оценка кратковременного воздействия гипероксии

Крысы Wistar, 40 шт, 24 часа

Биохимические показатели крови

3

Оценка длительного прерывистого воздействия в условиях нормоксии

Человек, 2 испытателя, 5 дней по 8 часов

Биохимические показатели крови

4

Оценка кратковременного воздействия гипероксии

Человек, 10 испытателей, 20 мин

Биохимические и гематологические показатели крови, функция внешнего дыхания, ССС

Аварийные индивидуальные средства регенерации атмосферы гермообъектов на основе надпероксида калия)

5

Испытания в составе аварийного индивидуального аппарата «Малыш-К», нормобария, нормоксия

Человек, 3 испытателя, 8 час

Функция внешнего дыхания, параметры атмосферы


Кислород, полученный концентрированием из воздуха методом короткоцикловой безнагревной адсорбции

6

Оценка длительного непрерывного воздействия, гипероксия

Крысы Wistar, 16 шт, 3 сут

Биохимические показатели крови, морфология внутренних органов

7

Оценка влияния на ранние стадии эмбриогенеза позвоночных в условиях гипоксии

Зародыши японского перепела, 90 яиц, 4 сут

Морфометрия, гистология внутренних органов

8

Постановочное исследование, гипероксия

Пациенты с дыхательной недостаточностью, 60 минут

Напряжение газов крови



продолжение таблицы 1




Цель эксперимента



Объект



Основные исследуемые показатели


Аргон в дыхательных газовых смесях

9

Оценка влияния на микроорганизмы, нормоксия

Кишечная палочка, 24 часа

Перенос R-плазмин

11

Оценка присутствия аргона в газовой смеси на выживаемость в условиях гипоксии

Крысы Wistar, 60 шт, 4 час

Выживаемость, ЭКГ,ЧСС

12

Оценка сочетанного влияния аргона в газовой смеси и повышенной температуры на выживаемость в условиях гипоксии

Крысы Wistar, 50 шт, 2 час

Время жизни, весовые коэффициенты внутренних органов

13

Оценка влияния уровня обменных процессов в условиях гипоксии

Линейные мыши C57BL/6, Balb/c, 100 шт, 10 мин

Время жизни

14

Оценка влияния гипероксии на уровнь обменных процессов

Линейные мыши C57BL/6, Balb/c, 50 шт, 20 мин

Физическая работоспособность

15

Оценка влияния на потребление кислорода при его концентрации 6-21%

Крысы Wistar, 30 шт, 1,5 час

Потребление О2, биохимические показатели крови

16

Оценка влияния на эмбриогенез позвоночных, гипоксия

Зародыши японского перепела, 90 яиц, 10 сут

Морфометрия, гистология внутренних органов

17

Оценка влияния на ранние стадии эмбриогенеза позвоночных в условиях гипероксии

Зародыши японского перепела, 90 яиц, 4 сут

Морфометрия, гистология внутренних органов

18

Оценка влияния на организм человека, гипоксия

Человек, 4 испытателя, 7 сут

Физическая и умственная работоспособность, ЭЭГ, ЭКГ, оксигемометрия, потребление О2

Исследования выполнялись на специализированных стендах и установках, описанных ниже.


Стенд для долговременных исследований на животных «Гранит»

Установка для длительных (до нескольких месяцев) экспериментов на животных по оценке воздействия на них измененной газовой среды при нормальном барометрическом давлении состоит из двух камер и раздельных систем газового обеспечения. Установка позволяет проводить контрольные эксперименты одновременно с основными в одинаковых условиях, что существенно повышает качество исследований. Автор принимал непосредственное участие в приемке стенда, его монтаже и эксплуатации.


Стенд для проведения острых опытов на животных «Аргон»

Стенд является собственной разработкой автора. Он предназначен для проведения кратковременных (до 3 суток) экспериментов на мелких лабораторных млекопитающих и длительных (до 20 суток) исследований эмбриогенеза птиц в газовых средах различного состава при нормальном барометрическом давлении. Отличительной особенностью стенда является возможность формирования в системе газовой среды заданного состава до начала эксперимента.


Глубоководный водолазный комплекс ГВК-250

Глубоководный водолазный комплекс ГВК-250 был создан в ГНЦ РФ ИМБП и принят в эксплуатацию в 1993 году. В барокамере комплекса проводились исследования с участием человека в аргон-содержащих средах и испытания аппарата «Малыш-К». Автор принимал непосредственное участие в составлении программы исследований и модернизации отсеков для проведения исследований.


Лабораторная установка для определения потребления кислорода мелкими лабораторными животными в газовых средах различного состава «Мини Объем»

Стенд является разработкой автора на базе аппарата Шатерникова для мелких лабораторных животных. Аппарат был модифицирован для использования дыхательных газовых смесей различного состава и оценки выделения углекислого газа.



Санитарно-химическая, токсикологическая и физиологическая оценка кислорода, полученного из твердых кислородосодержащих соединений оригинального состава

В соответствии с целевым назначением генераторов кислорода на основе ТКС (использование в течение длительного времени для формирования нормоксической газовой среды обитаемых гермообъектов и в медицинских целях при высокой концентрации) работа проводилась по нескольким этапам. На первом этапе была осуществлена проверка качества получаемого кислорода и его соответствие действующему ГОСТ. На втором была проведена оценка воздействия кислорода из ТКС на организм животных в нормоксических условиях при длительном воздействии и в условиях гипероксии при кратковременной экспозиции. На завершающем этапе проведены исследования с участием человека также при нормальном и повышенном содержании О2 во вдыхаемой газовой смеси.


Основные характеристики процесса получения кислорода из ТКС

Основной частью термохимического генератора кислорода являются твердые кислородосодержащие соединения (ТКС), сформированные в виде брикета. ТКС представляют собой композицию ингредиентов на основе пероксидов и перхлоратов щелочных металлов. Под воздействием внешнего или внутреннего источника энергии в композиции начинают протекать экзотермические процессы, сопровождающиеся образованием молекулярного О2 и выделением его в газовую фазу. Максимальная температура в рабочем слое составляет + 518 ÷ 547 0С.


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.




следующая страница >>
Смотрите также:
Физиолого-гигиеническое обоснование новых методов Обеспечения организма кислородом в экстремальных условиях 14. 00. 32 Авиационная, космическая и морская медицина
704.35kb.
7 стр.
Механизмы регуляции кислородного статуса у человека в условиях моделирования эффектов невесомости и при использовании методов интенсивной терапии 14. 00. 32 Авиационная, космическая и морская медицина 14
438.98kb.
4 стр.
Амир совершенствование врачебно-летной экспертизы авиационного персонала в исламской республике иран 14. 03. 08 авиационная, космическая и морская медицина
465.67kb.
3 стр.
Клинико психофизиологические закономерности применения концентратов экстракта черники у летного состава 14. 00. 32. авиационная, космическая и морская медицина 14. 00. 08. глазные болезни
272.84kb.
1 стр.
Оценка функционального состояния организма при действии факторов космического полёта по данным бесконтактной регистрации физиологических сигналов в ночной период суток 14. 03. 08 авиационная, космическая и морская медицина
287.61kb.
1 стр.
Медико-физиологическое обоснование адаптивных реакций организма студентов в экстремальных условиях якутии 14. 00. 16 патологическая физиология 03. 00. 13 физиология
776.88kb.
5 стр.
Учебная программа по дисциплине авиационная и космическая медицина. М., 2007, 39 с. Начала авиационной и космической медицины / под ред. И. Б. Ушакова. М., «Медицина для всех», 2008. 399 с
51.76kb.
1 стр.
Оценка функционального состояния человека в условиях космического полета на основе анализа вариабельности сердечного ритма 14. 03. 08 авиационная, космическая и морская медицина
422.64kb.
3 стр.
Программа дисциплины по выбору«авиационная и космическая медицина»
51.14kb.
1 стр.
Космическая медицина
30.36kb.
1 стр.
Влияние факторов космического пространства и орбитального полета на состояние систем «микроорганизмы конструкционные материалы» 14. 00. 32 авиационная, космическая и морская медицина
301.13kb.
1 стр.
Программа вступительных экзаменационных испытаний в ординатуру по специальности: «авиационная и космическая медицина»
262.89kb.
1 стр.