3 курс / Патологическая физиология / Транспорт_кислорода_при_адаптации_человека_к_условиям_Арктики_и

Введение

альной и экономической сфере, ухудшением экологической обстановки, мало- и труднодоступностью медицинской помощи. Показано, что в условиях чрезмерно интенсивного освоения недр Южной Якутии ухудшились основные медико-демографические показатели, особенно у приезжего населения [Петрова П.Г., Пальшин Г.А., 2009]. За последние 16 лет увеличилась смертность от заболеваний сердечно-сосудистой системы. У приезжего населения заболеваемость инсультом оказалась в 1,5 раза, а летальность в 2 раза выше по сравнению с данными у коренных жителей. По данным В.Д. Алексеенко с соавт. [2009], рост заболеваемости работников нефтедобычи в Заполярье был связан с возрастанием степени вредности производственных факторов.

О состоянии здоровья северян целесообразно судить по результатам изучения физиологических механизмов адаптации у приезжего населения, а также — всестороннего исследования организма представителей коренных народностей Севера. Особую ценность могут представить результаты сравнения с северными народами, в частности с инуитами, атабасканами и норвежцами [Steegmann A.T. Jr., 2007]. По мнению автора, они обладают системой эволюционных приспособлений к экстремальным условиям.

Однако в последние десятилетия у коренных народностей Севера отмечается отсутствие выработанных механизмов биосоциальной адаптации к факторам современной цивилизации и образу жизни [Сидоров П.И. и др., 2009; Sharma S. et al., 2009; Sharma S., 2010]. С учетом экологической обусловленности патологии человека в экстремальных условиях проблема здоровья на Севере приобретает бîльшую важность, чем в других регионах России [Гичев Ю.П.,

2002]. Определенную обеспокоенность вызывает факт потепления климата во всем мире, и в Арктике в частности, и его влияние на здоровье северян [Ревич Б.А., 2009]. Изменение климата рассматривается как один из ведущих негативных факторов наряду с традиционными факторами риска индустриальной эпохи. Вопросы влияния изменения климата на здоровье человека в Арктике стали одним из основных направлений северной медицины — им посвящен специальный номер «International Journal of Circumpolar Health» за 2005 г.

Особенности кислородного обеспечения организма человека на Севере всегда интересовали исследователей. Об этом свидетельствует обширная литература [Рапопорт Ж.Ж., 1979; Марачев А.Г., 1980; Милованов А.П., 1981; Авцын А.П. и др., 1985; Агаджанян Н.А. и др., 1991, 1992; Рощевский М.П. и др., 1992; Шишкин Г.С. и др., 1994, 1998; Кривощеков С.Г. и др., 1995, 1998; Михайлова Л.А., 1996–2001;

11

Введение

Светличная Г.Н. и др., 1997; Бойко Е.Р. и др., 2001; Бойко Е.Р., 2012; Степанова Г.К., 2005; Гудков А.Б., Попова О.Н., 2009, 2012; Гудков А.Б. и др., 2014; Шишкин Г.С., Устюжанинова Н.В., 2012; Rode A., Shephard R.J., 1973, 1996; Schaefer O. et al., 1978, 1980]. Однако вопросы комплексного изучения системы транспорта О2, вклю- чающие оценку функции внешнего дыхания, дыхательной функции крови, транскапиллярного обмена у приезжих и коренных жителей Севера, до сих пор остаются нерешенными. Необходимость скорейшего решения этих вопросов связана не только с высокими темпами роста заболеваемости северян и более тяжелым клиническим тече- нием заболеваний, но и с отсутствием разработанной программы профилактических мероприятий, учитывающей экологические особенности Севера и адаптивные реакции его жителей.

Можно с уверенностью сказать, что если оценке внешнего дыхания и газообмена в легких у жителей Севера уделяется большое внимание, то изучению газообмена в тканях посвящены единичные работы.

Важность этой функции организма велика, поскольку именно тканевый метаболизм является результирующим для всей сложной системы транспорта О2. Он зависит от состояния внутрисосудистой (скорости кровотока, способности эритроцитов передвигаться внутри капилляров, морфофизиологических особенностей и деформируемости эритроцитов) и сосудистой (проницаемости капилляров, скорости диффузии О2, действия биологически активных веществ на стенки капилляров) микроциркуляции.

При адекватном газообмене потребности тканей в О2 погашаются доставленным О2. При недостаточной доставке О2 (снижение кислородтранспортной функции крови, нарушение сосудистой проницаемости, нарушение на уровне аэрогематического барьера, снижение функции сердечной мышцы и т.д.) создаются условия для развития тканевой гипоксии со всеми вытекающими последствиями для окислительных процессов. В данном аспекте эти важные вопросы не рассматривались и не обсуждались. С этих позиций большое значение для разработки лечебных и профилактических мероприятий имеет изучение тканевого метаболизма на модели измененной функции легких (хронические заболевания бронхолегочной системы) и модели неадекватной доставки О2 (ишемической болезни сердца).

До последнего времени остается открытым актуальный для северных регионов вопрос о профилактике холодовых повреждений [Герасимов А.А., 1996; Гришин О.В., Устюжанинова Н.В., 2009; Holmer I., 2000; Ikäheimo T.M., Hassi J., 2011], число которых в по-

12

Введение

следние годы имеет тенденцию к росту [Petrone P. et al., 2003]. Разрабатываемое специальное снаряжение, способы утепления одежды путем обогрева различными источниками тепла находят пока еще очень ограниченное применение в узком кругу специалистов, трудовая деятельность которых протекает при пониженных температурах [Осадчиева Н.А., 1997; Шустов Е.Б., Зайцев А.Г., 1997]. Можно использовать положительный эффект применения холодовых процедур (обтирания, обливания) путем тренировки системы терморегуляции для обеспечения адекватных адаптационных изменений и мобилизации функциональных резервов с расширением нормы реакции [Матусов А.Л., 1979; Михайлова Л.А., 1996; Burton A.C., Edholm G., 1970; Kauppinen K., 1989]. Однако, как показывает опыт, он не всегда достаточно эффективен [Давиденко В.И., 1996]. Использование фармакологических средств для коррекции холодовых повреждений [Николаев В.Г. и др., 1983; Барер А.С. и др., 1988; Цыренжапова О.Д., 1988; Алеутский Н.Н. и др., 1997; Сатыбалдаев В.М., 1997; Шустов Е.Б., Зайцев А.Г., 1997] не всегда своевременно, эффективно и доступно. Результаты экспериментальных исследований позволили усомниться в профилактическом эффекте мазей [Lehmuskallio E., Anttonen H., 1999; Lehmuskallio E. et al., 2000; Thorleifsson A., Wulf H.C., 2003]. Перспективной в этом направлении является разработка доступных для каждого северянина профилактических мероприятий, направленных на повышение резистентности организма к повреждающему действию холода. Учитывая вышесказанное, сочли целесообразным сконцентрировать внимание на нескольких вопросах, которые составили цель и задачи многолетних исследований, в частности изучения системы транспорта кислорода при адаптации человека на Крайнем Севере и при кардиореспираторной патологии у приезжего и коренного населения этих регионов.

Для разработки профилактических и лечебных мероприятий выполнено исследование адаптивных изменений и резервных возможностей функции внешнего дыхания, кислородного баланса и ки- слотно-основного состояния, особенностей кислородтранспортной функции крови и транскапиллярного обмена с учетом возраста и полярного стажа у приезжих жителей и возрастных особенностей у коренных жителей на Крайнем Севере. Оценено влияние низких температур на состояние микроциркуляции и кислородтранспортной функции крови, изучена система транспорта кислорода у северян с измененной функцией органов дыхания и кровообращения, апробированы эффективные подходы для коррекции выявленных нарушений в системе транспорта кислорода.

13

Введение

* * *

Автор выражает искреннюю благодарность заслуженному врачу РФ, доктору медицинских наук, профессору Г.Н. Окуневой, а также доктору медицинских наук, профессору В.Ю. Куликову за неоценимую консультативную помощь; доктору медицинских наук, профессору В.И. Хаснулину за предоставленную возможность обследования коренных жителей Ханты-Мансийского автономного округа; огромную признательность всем коллегам за комфортную эмоциональную атмосферу и поддержку во время работы в экспедиционных условиях на Азиатском Севере и Республике Саха (Якутия); всем врачам за бескорыстную своевременно оказанную профессиональную помощь; отдельная благодарность добровольцам из Западной Сибири (236 чел.), коренным и приезжим жителям Арктики и Якутии (964 чел.), пациентам (165 чел.), которые проявили интерес к исследованиям и приняли участие в них.

14

Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СИСТЕМЕ ТРАНСПОРТА КИСЛОРОДА ПРИ АДАПТАЦИИ И ПАТОЛОГИИ КАРДИОРЕСПИРАТОРНОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА НА КРАЙНЕМ СЕВЕРЕ

1.1. Функция внешнего дыхания, кислородный баланс и кислородтранспортная функция крови

Анализ литературы, описывающей функции внешнего дыхания у северян, выявил неоднозначные результаты. Так, по данным К.Р. Седова [1990], внешнее дыхание характеризуется урежением частоты дыхательных движений (f), значительным увеличением дыхательного (VT) и минутного (VE) объема дыхания, снижением максимальной вентиляции легких (VEmax) и резерва дыхания (RV), что рассматривается как специфическая особенность функционального поведения «северного легкого». Наиболее выраженная гипервентиляция отмечается в период полярной ночи. Отмечены изменения механики дыхания: удлиняется фаза выдоха и укорачивается вдох, тем самым увеличивается остаточный объем легких и сокращается время соприкосновения холодного воздуха с респираторным трактом, увеличивается его разведение в легких. По данным Г.С. Шишкина и Н.В. Устюжаниновой [2012], параметры вентиляции и газообмена, полученные при обследовании юношей с полярным стажем более 5 лет в Магадане, в весеннее и зимнее время не различались. При обследовании женщин установлено, что зимой формируется более низкий уровень функционирования аппарата внешнего дыхания; проявляется это снижением легочной вентиляции, перфузии и газообмена. Наблюдалось регионарное перераспределение вентиляции и легочного кровотока, связанное с уменьшением функциональной активности базальных отделов легких [Луценко М.Т. и др., 1987].

Сходные данные получены при обследовании детей. Показано, что в суровых климатогеографических условиях Севера у детей становление функции внешнего дыхания сопровождается гипервентиляцией и регионарным перераспределением функций легких с сохранением стабильных вентиляционно-перфузионных отношений [Шмыков И.И., Перельман Ю.М., 1990]. Потребление кислорода (VO2) у детей повышено, но отмечается более низкое выделение СО2 с выдыхаемым воздухом [Орехов К.Р., 1985]. Изучение потребления кислорода и теплопродукции у подростков в разные сезоны года вы-

15

Гл. 1. Транспорт кислорода при адаптации человека на Крайнем Севере

явило более высокий среднесуточный уровень энерготрат в осенний период по сравнению с весенним сезоном [Недбаева Н.Д., 1986].

Сравнение VO2 у юношей Западной Сибири и Магадана с полярным стажем 5 лет и более не показало различий [Шишкин Г.С. и др., 1994]. Однако одинаковый уровень VO2 обеспечивался разной вентиляцией. У северян VE увеличена на 37 %, а КИО2 (эффективность вентиляции) был значительно снижен. Таким образом, у жителей Магадана наблюдается повышенная вентиляция легких, неадекватная потреблению кислорода. Гипервентиляция происходит за счет VT, который возрастает на 24–25 %. При обследовании постоянных жителей Севера (65° с. ш.) в возрастной группе 20–29 лет выявлены наибольшие величины жизненной емкости легких (VC) и индекса Скибинской, характеризующего кардиореспираторную систему [Солонин Ю.Г., 1998].

На Европейском Севере у молодых рабочих до 30 лет отмечены более высокие показатели потребления кислорода, VE, диастоли- ческого давления. Зимой физическая работоспособность, периферическое сосудистое сопротивление, ударный объем сердца ниже, но такие параметры, как частота сердечных сокращений, энерготраты и потребление кислорода, выше [Солонин Ю.Г., Варламова Н.Г., 1991].

У студенток-первокурсниц в г. Архангельске наблюдали гипервентиляцию, увеличение резервного объема вдоха, дыхательного объема по сравнению с аналогичной группой в средней полосе [Палкина О.А., 2012].

Оценка возрастной динамики функции внешнего дыхания у жителей Северо-Востока страны с полярным стажем от 5 до 15 лет показала, что большинство параметров соответствовали общим закономерностям. Выявленная гипервентиляция, характерная для северян, с увеличением возраста не снижалась [Куличевский Д.В., Шишкин Г.С., 1987].

Исследования Н.В. Ермаковой [1997] показали, что гипервентиляция в большей степени характерна для аборигенов Севера, чем для коренного пришлого и пришлого населения, хотя известно, что особенностью организма северян являются более точная, экономичная регуляция метаболизма и направленность внутриклеточного обмена на сбережение энергетических ресурсов [Захарова Л.Б. и др., 1988].

Исследования, проведенные в Норильском регионе, показали, что, помимо низких температур, сильных ветров, частых колебаний атмосферного давления воздуха, высокие широты характеризуются низкой абсолютной влажностью воздуха [Устюшин Б.В., Деденко И.И., 1992]. В самый холодный период года, с ноября по март, аб-

16

1.1. Кислородный баланс и кислородтранспортная функция крови

солютное содержание влаги в воздухе составляет всего 0,3–0,6 г/м3. Верхние дыхательные пути ответственны за нагревание и увлажнение вдыхаемого воздуха. Во время работы в холодном и сухом воздухе его нагревание и увлажнение продолжается в бронхиальном дереве. В этих условиях слизистая бронхов и носа охлаждается вдыхаемым воздухом и остается холодной в течение дыхательного цикла. Согреваемый воздух доходит до бронхоальвеолярного воздушного пространства, где температура воздуха соответствует температуре тела [Latvala J.J. et al., 1995].

Постоянное вдыхание холодного сухого воздуха привело к тому, что у северян произошло перераспределение путей теплоотдачи организма за счет увеличения доли испарительных потерь тепла

ñдыханием и уменьшения конвективно-радиационных теплопотерь

ñповерхности кожи [Устюшин Б.В., Деденко И.И., 1992]. Дыхательные пути и кожа постоянно участвуют в поддержании температуры тела. Потери тепла через слизистую носа активно регулируются путем изменения кровотока через артерио-венозные шунты в слизистой [Folkow B., Neil E., 1971].

Пребывание на холоде в течение 30 мин молодых мужчин от 21 до 31 года, проживающих на Севере 1,5–6 лет, сопровождалось увеличением VT (с 592 до 696 мл), VE (с 8,5 до 10,1 л/мин), VO2 (с 284 до 339 мл/мин), минутной альвеолярной вентиляции (с 5,69 до 6,84 л/мин), функционального мертвого пространства при сохранении неизменных значений рО2 è ðÑÎ2 в альвеолярном воздухе, что обеспечивало повышенный газообмен [Гришин О.В. и др., 1998]. По мере снижения температуры вдыхаемого воздуха до (–19–12 °С, –27–20 °С и –35–28 °С) менялась величина VE (121, 122 и 111 % соответственно). Прирост потребления кислорода был максимальным в температурном диапазоне –27–20 °С (129 % от исходного уровня) и сниженным при более низких температурах –35–28 °С (111 % от исходного уровня). В температурной области ниже –27 °С необходимость ограничить контакт органов дыхания с холодным воздухом приобретает ведущее значение: защитные механизмы начинают ограничивать легочный газообмен. Эти температуры авторы считают критическими для нормального функционирования процессов, обеспечивающих легочный газообмен и температурный гомеостаз на холоде даже у адаптированных к условиям Севера мужчин. Показано, что дыхание при температуре –35–28 °С даже в состоянии покоя приводит к ограничению массопереноса О2 и компенсаторному усилению анаэробных процессов по данным дыхательного коэффициента [Гришин О.В. и др., 1998; Гришин О.В., Устюжанинова, 2006].

17

Гл. 1. Транспорт кислорода при адаптации человека на Крайнем Севере

Низкая температура воздуха способствует активации главным образом процесса b-окисления, при этом 15–18 % вдыхаемого О2

расходуется на химическую теплопродукцию. Одновременно с этим уменьшается капиллярный кровоток в малом круге кровообращения [Сыромятникова Н.В. и др., 1987]. В нормальных условиях доставка О2 тканям соответствует его потреблению. От скорости потребления О2 зависит парциальное давление его в тканях. Между уровнем тканевого метаболизма и легочной вентиляцией существует прямо пропорциональная зависимость, что обусловливает довольно стабильный состав альвеолярного воздуха при различных степенях тканевого метаболизма [Сыромятникова Н.В. и др., 1987].

Обсуждая факторы, характеризующие легочный газообмен, следует помнить, что альвеоло-капиллярная диффузия газов определяется их концентрационным градиентом, поверхностью и расстоянием диффузии. Снижение диффузионной способности легких обусловлено увеличением расстояния диффузии, обозначающегося как альвеоло-капиллярный блок, уменьшением поверхности капилляров, ограничением способности крови связывать О2. В свою очередь, рО2 è ðÑÎ2 в альвеолярном воздухе зависят от величины альвеолярной вентиляции, от рО2 è ðÑÎ2 во вдыхаемом воздухе. Альвеолярная вентиляция в значительной мере определяется величиной мертвого пространства [Grippi M.A., 1997]. Легочный кровоток зависит от взаимосвязи движущих сил, выражающихся разностью давления в легочной артерии и левом предсердии, связан с легочным сосудистым сопротивлением. Эта система кровообращения определяется: во-первых, тонусом гладкой мускулатуры сосудов (увеличивается при альвеолярной гипоксии и гипертонии, под влиянием гистамина и активации вагуса, снижается при активации симпатической нервной системы); во-вторых, эластической ретракцией легких; в-треть- их, внутриальвеолярным давлением; в-четвертых, влиянием силы тяжести; в-пятых, наличием патологических процессов. Несоответствие вентиляции и кровотока в легких оказывает решающее влияние на легочный газообмен, с последующим увеличением альвеолярного мертвого пространства. В результате нарушения диффузии развивается артериальная гипоксемия, при шунтировании, и особенно при общей альвеолярной гиповентиляции, к ней присоединяется артериальная гиперкапния [Quenard H., 1982; Duhm J., 1984; Medina G.H., 1992]. В легких происходит депонирование нейтрофилов и эритроцитов. Прохождение этих клеток через сосуды в норме сопровождается их адаптивной деформацией. Активация нейтрофилов снижает способность к деформации, тем самым увеличивая возможность прилипания к эндотелию капилляров. Адгезия опосреду-

18

1.1. Кислородный баланс и кислородтранспортная функция крови

ется гликопротеинами. При эмфиземе легких происходит активация нейтрофилов, приводящая к повреждению ими нормальных тканей легких [Hogg James C., 1987].

Известно, что диффузия газов крови в легких может происходить не только в альвеолах через аэрогематический барьер, но и в артериолах мелких бронхов и ацинозных ходов, занимающих около 60 мл крови [Иванов К.П., 1992].

Альвеолярная поверхность представляет собой сложную среду, защищенную от микроорганизмов множеством клеточных и гуморальных механизмов [Sperman M.P., 1992]. У приезжих северян альвеолы и аэрогематический барьер, место непосредственного газообмена, имеют особенности [Авцын А.П. и др., 1985]. Альвеолы деформированы, межальвеолярные перегородки большей частью утолщены за счет расширенных и полнокровных капилляров, пре- и посткапилляров. Эластические и ретикулиновые волокна имеют тенденцию к гипертрофии. В нижних долях можно встретить физиологические дистелектазы. Морфометрия площади альвеолярной поверхности легких у приезжих северян выявила ее достоверное увеличение на 16 % по сравнению с москвичами. Основная причина увеличения поверхности альвеол у приезжих, по мнению авторов, заключается в гипертрофии и дополнительном раскрытии нефункционировавших ранее альвеол и возможном их новообразовании.

По данным А.П. Милованова [1981], существенным приспособительным признаком перестройки аэрогематического барьера у приезжих северян является его заметное истончение с увеличением рабочей зоны для газообмена. Это в значительной степени характерно для аборигенов Севера — якутов. В сосудистой системе легких северян также отмечены структурные перестройки, направленные на сохранение эффективного газообмена в условиях действия холода. Артерии распределения малого круга кровообращения у жителей Магадана имели явные признаки расширения просвета. Увеличе- ние диаметра легочной артерии обнаружено у инуитов Канады [Schaefer O. et al., 1980]. Увеличение площади альвеолярной поверхности легких у приезжих северян закономерно сопровождалось приростом и их сосудистой сети за счет количества, площади и объема капилляров. В результате этого общая капиллярная поверхность легких у северян по сравнению с москвичами увеличена на 24 %,

àобъем капилляров — на 39 % [Авцын А.П. и др., 1985].

Óприезжих жителей Магаданской области выявлен ряд морфофункциональных изменений, связанных с развитием альвеолярной гипоксии, которая рассматривается как обязательное следствие включения физиологических защитных реакций в ответ на действие

19

Гл. 1. Транспорт кислорода при адаптации человека на Крайнем Севере

низкой температуры вдыхаемого воздуха [Милованов А.П., 1981]. Такого рода изменения можно разделить на 2 группы [Устюжанинова Н.В. и др., 1997].

К первой группе относятся те, которые непосредственно направлены на компенсацию альвеолярной гипоксии. Это обеспечивается значительным увеличением в респираторной выстилке коли- чества альвеолоцитов второго типа, продуцирующих сурфактант, который повышает воздушность легочной ткани, напоминающей эмфизему легких [Шишкин Г.С., 2014].

Вторую группу составляют изменения, которые являются следствием развития гиперволемии в ответ на понижение рО2 в альвеолах (увеличение диаметра капилляров, размера капиллярных петель

èуменьшение толщины эндотелия). Эти изменения, за исключением увеличения количества альвеолоцитов 2-го типа, обнаруживаются

èу коренных жителей Севера — якутов. У приезжих северян газообмен в респираторных отделах ускоряется в результате уменьшения толщины аэрогематического барьера вследствие растяжения межальвеолярной перегородки при повышении воздушности легких, а у якутов меньшая толщина аэрогематического барьера заложена генетически и формируется изначально. Таким образом, авторы делают вывод, что при адаптации к суровому климату Севера в респираторных отделах легких происходит значительная морфофункциональная перестройка. Развивающиеся изменения в межальвеолярных перегородках способствуют диффузии газов через аэро-

гематический барьер при сниженном парциальном давлении О2 в альвеолах. Индивидуальная адаптация у приезжих жителей Севера идет тем же путем, который был пройден в эволюции народностями Севера [Устюжанинова Н.В. и др., 1997].

Оценка резервов дыхания у постоянных жителей Крайнего Севера показала, что в первом периоде зрелого возраста (20–39 лет) большинство показателей достигает оптимальных значений при повышенных уровнях систолического, а у женщин еще и диастоли- ческого давления, периферического сосудистого сопротивления и пониженной бронхиальной проводимости [Солонин Ю.Г., 1998]. Во втором периоде зрелого возраста (40–59 лет) многие функции ухудшаются, а тонус артериальных сосудов и их периферическое сопротивление заметно возрастают. Одной из особенностей организма северян является сниженное (менее 75 %) отношение объема форсированного выдоха (ОФвыд) к жизненной емкости легких, которое постепенно уменьшается после 40 лет. У северян это свидетельствует о наличии и углублении с возрастом обструктивного синдрома в условиях действия холода (табл. 1).

20