5 курс / Пульмонология и фтизиатрия / Колосов_В_П_,_Добрых_В_А_,_Одиреев_А_Н_,_Луценко_М_Т_Диспергационный

сионного (диспергационного) аэрозоля существенно отличаются от характеристик конденсационного аэрозоля: он обычно грубее, полидисперснее, может существовать в виде жидкой и твердой дисперсной фаз (Н.А. Фукс, 1975).

Приведенные закономерности, во всей вероятности, могут быть распространены на процессы естественного диспергирования жидкостей биологического происхождения.

Биологические и медицинские аспекты диспергирования содержимого дыхательных путей и ротоглотки исследованы чрезвычайно слабо. При изучении воздушно-капельных инфекций найдено, что выделение возбудителя из органов дыхании в окружающую среду происходит главным образом с капельками слюны, слизи и мокроты, заражающими воздух при кашле, чихании, форсированном выдохе (В.В. Влодавец, 1982; К.Г. Гапочко и соавт., 1985). Основным загрязнителем является слюна. Количество выделяемого в атмосферу инфекта зависит от содержания секрета в ротовой полости и дыхательных путях (К.Г. Гапочко и соавт., 1985). Бактериальные капли, атомизирующиеся при кашле из секрета носоглотки, неоднородны и имеют в диаметре в среднем 10 мкм, хотя в некоторых случаях – даже больше 100 мкм. При испарении остаются ядрышки капель, диаметр которых – около 2 мкм (С.С. Речменский, 1983).

Особенности диспергирования при кашле, являющемся одним из важнейших механизмов удаления патологического материала из бронхов, изучены очень мало. Но описано, как под влиянием кашлевого толчка и сопутствующей вибрации стенок трахеи или бронха происходит отрыв вязких кусочков слизи – капелек (Е.Л. Амелина и соавт., 2006).

Известно, что диспергирование инфицированного содержимого бронхов при кашле способствует диссеминации легочного туберкулеза.

Таким образом, диспергирование жидкостей газовым потоком – важная проблема в связи с большой распространенностью этого процесса в природе и технике. Медицинские аспекты естественного диспергирования содержимого дыхательных путей изучались, в основном, с точки зрении эпидемиологии воз- душно-капельных инфекций.

В последние годы в связи с расширяющимся кругом исследований конденсата выдыхаемого воздуха внимание научных работников обратилось и к проблеме переноса с выдыхаемым воздухом эндогенных частиц и молекул

(В.А. Добрых, 1989; I. Horvath, 2003; S.A. Кharitonov, 2004). Можно считать,

что сложившаяся ситуация подготовила почву для углубленного изучения самого процесса естественного диспергирования бронхолегочного содержимого,

рассматриваемого в качестве одного из важнейших механизмов трахеобронхиального и, вероятно, альвеолярного, клиренса. В результате нами (В.А. Добрых) в 1988 г. была сформулирована оригинальная концепция диспергационного транспорта содержимого нижних дыхательных путей.

1.2. Концепция диспергационного транспорта как важного естественного механизма выведения содержимого дыхательных путей

Непрерывно функционирующие процессы бронхиальной и альвеолярной секреции и транссудации формируют слизистый покров дыхательной трубки, обладающей многообразными защитными свойствами: удалением ингалированных частиц, бактерий, продуктов метаболизма, антибактериальными и антивирусными качествами, защитой слизистой оболочки дыхательных путей от повреждений, связанных с колебаниями температуры и влажности воздуха (М. King et al., 1985). Закономерно, что нарушение выведения бронхолегочного содержимого является одним из основных патогенетических факторов болезней органов дыхания.

Наряду с мукоцилиарным и кашлевым механизмами транспорта, выделяют механизм двухфазного газожидкостного потока, представляющий собой зависящее от особенностей вентиляции, вязкоэластических свойств и толщины слоя жидкости экспираторное продвижение содержимого бронхов (Kim Chong et al., 1987). Этот вид транспорта, роль которого для клиники еще неизвестна, по сути, представляет собой, как и мукоцилиарный транспорт, движение в режиме течения.

При обосновании концепции диспергационного транспорта мы исходили из того, что с физической точки зрения все виды естественного перемещения бронхолегочного содержимого в бронхоальвеолярном пространстве логично разделить на перемещение в режиме течения (мукоцилиарный транспорт, удаление сурфактанта из альвеол по градиенту поверхностного давления, двухфазный газожидкостный поток) и перемещение вследствие диспергирования и переноса частиц бронхоальвеолярного содержимого с потоком воздуха – диспергационного транспорта. Нам представляется, что этот транспорт включает две основные разновидности: постоянное микродиспергирование при дыхании (генерирование эндогенного диспергационного аэрозоля) и периодическое (аварийное) макродиспергирование при кашле.

Коренные отличия диспергационного транспорта от транспорта в режиме течения, определяющие его специфичность, состоят в том, что бронхолегочное содержимое выводится не постепенным перемещением слизистого покрова, а

дискретно, путем нарушения его непрерывности и освобождения отдельных участков бронхоальвеолярного пространства. Скорость перемещения удаляемого субстрата различается на несколько порядков: десятки метров в секунду при кашле и миллиметры в минуту – при мукоцилиарном транспорте (Г.Б. Федосеев и соавт., 1984).

Разделение механизмов транспорта на два больших класса оправдывается еще и тем, что физические свойства субстрата, определяющие их эффективность, различны: если для успешного функционирования мукоцилиарного транспорта важны прежде всего оптимальные, относительно невысокие вязкость и эластичность (Е.Л. Амелина и соавт., 2006), то для диспергирования решающее значение имеют силы межфазного натяжения, прочность и жесткость субстрата (Г.В. Виноградов, А.Я. Малкин, 1977; П.П. Запевалов, 1982).

Известное свойство полидисперсной смеси высокополимеров, когда под влиянием внешней силы диспергируется (срывается) прежде всего высокомолекулярный компонент, а низкомолекулярный продолжает течь (Г.В. Виноградов, А.Я. Малкин, 1977), служит основой понимания того, каким видом транспорта преимущественно удаляется содержимое дыхательных путей в зависимости от его вязкоупругих свойств: относительно низкомолекулярный и, следовательно, обладающий небольшой вязкостью и упругостью субстрат удаляется, главным образом, транспортом в режиме течения (мукоцилиарным), высокомолекулярный (вязкоэластичный) – кашлевым диспергационным транспортом. В то же время чрезмерно текучая низкомолекулярная жидкость со слабыми свойствами межфазного натяжения плохо удаляется мукоцилиарным транспортом, но легко диспергируется, формируя диспергационный аэрозоль (П.П. Запевалов, 1982; Е.Л. Амелина и соавт., 2006). Следовательно, мукоцилиарный транспорт и, вероятно, силы двухфазного газожидкостного потока эффективны только в определенном диапазоне физических свойств бронхолегочного содержимого. Если свойства субстрата выходят за эти пределы, то основным механизмом его выведения становится диспергационный транспорт. Подразделение последнего на две разновидности вызвано еще и их различными временными характеристиками: с одной стороны, выявленными фактами постоянства выведения небольшого количества эндогенных нелетучих веществ с выдыхаемым воздухом (S.A. Кharitonov, 2004), с другой, – непостоянством и периодичностью функционирования кашлевого клиренса. Кроме того, существенно различается и объем выводимого биосубстрата, с многократным преобладанием продуктивности кашлевого клиренса.

Механизм образования и выведения при дыхании эндогенного диспергационного аэрозоля неясен (I. Horvath, 2003). Учитывая существование альвеолярного клиренса, можно представить, что генерация аэрозоля при низких скоростях воздушного потока в условиях спокойного дыхания возможна при расправлении и вибрации стенок альвеол на вдохе, – принимая во внимание, что частота их колебаний достигает нескольких тысяч Гц, а содержимое альвеол (сурфактант) обладает высокими поверхностно активными свойствами, способствующими диспергированию (Е.Л. Амелина и соавт., 2006).

Методы изучения особенностей транспорта бронхолегочного содержимого разработаны в основном применительно к мукоцилиарному транспорту, хотя в клинической практике эти процессы, как правило, не исследуются из-за отсутствия доступных методик. Попытки изучения других разновидностей транспорта бронхолегочного содержимого вообще единичны.

Существование этого «слабого места» в обследовании больных пульмонологического профиля, безусловно, отрицательно сказывается на эффективности лечебных мероприятий, влияющих на свойства содержимого дыхательных путей.

На основании выполненных нами исследований мы предлагаем комплекс новых методов, позволяющих оценивать особенности диспергационного транспорта в клинических условиях.

Способы изучения диспергационного транспорта в клинике.

1. Микродиспергирование при дыхании:

а) подсчет количества экспирируемых эндогенных нелетучих веществ; б) определение физических и химических свойств эндогенных нелетучих

веществ; в) характеристика экспирируемого эндогенного аэрозоля.

2. Макродиспергирование при кашле: а) определение продуктивности кашля;

б) анализ физических, химических, цитологических и других свойств диспергируемых макрочастиц.

Предлагаемые методы исследования выделены среди других возможных в связи с их относительной простотой и в то же время достаточной чувствительностью и информативностью.

Новизна проблемы, физическая неоднородность, имманентно присущая содержимому дыхательных путей, отсутствие универсальных теорий и формул диспергирования жидкостей заставляли нас чаще всего идти путем эмпириче-

ского сопоставления разных аспектов диспергирования с диагнозом и особенностями клиники заболеваний бронхолегочной системы.

Очевидно, что диспергирование содержимого дыхательных путей у больных с патологией бронхолегочной системы зависит прежде всего от объемноскоростных характеристик воздушного потока и свойств содержимого: толщины слоя, физических параметров. Практически это означает, что вероятные отклонения процессов диспергирования от нормы могут произойти при изменении количества субстрата и его физических характеристик.

Такая ситуация возникает в бронхиальном дереве при наличии эндобронхита и дискринических отклонений. Для альвеол существенное нарушение генерирования аэрозоля возможно с этой точки зрения, например, при отеке легкого, пневмонии, альвеолите, легочном альвеолярном протеинозе.

Глава 2. Методы исследования диспергационного транспорта бронхоальвеолярного содержимого

В этот раздел мы включили комплекс по большей части оригинальных методик исследования, разработанных в своей основе В.А. Добрых в 80-90-х годах прошлого века и усовершенствованных совместно с сотрудниками возглавляемой им кафедры в последующие годы.

2.1.Исследование микродиспергационного транспорта

2.1.1.Оценка характеристик экспирируемого эндогенного аэрозоля

Экспирация эндогенных нелетучих веществ реализуется, очевидно,

вследствие связанного с дыхательными маневрами диспергирования бронхоальвеолярного содержимого и формирования дисперсионного аэрозоля. В процессе экспирации частицы аэрозоля, находящиеся в дыхательных путях в условиях пересыщения водного пара, при выдохе в результате конденсации обводняются – формируется крупнодисперсный конденсационный аэрозоль (Н.А. Фукс, 1975). Параметры экспирируемого эндогенного аэрозоля, по имеющимся у нас данным, практически еще не изучались. По-видимому, D.M. Hoenig в 1983 г. впервые обнаружил ненормально высокое содержание аэрозоля в воздухе, выдыхаемом курильщиками.

В своих исследованиях мы, вероятно, впервые изучали экспирацию эндогенного аэрозоля здоровыми людьми, а также больными ХОБЛ и БА.

Исследование экспирируемых аэрозольных частиц проводили с помощью разработанного и изготовленного в НИИ экспериментальной метеорологии (г. Обнинск) аэрозольного фотоэлектрического лазерного счетчика и анализатора «Сафлаз» и анализатора импульсов «Аист». Анализировали частицы диаметром в диапазоне 0,1-10 мкм, с автоматической регистрацией их в зависимости от размера по 15 каналам. Калибровку порогов анализатора в шкале размеров осуществляли с помощью частиц латекса. Эндогенными считали частицы, экспирируемые при спокойном выдохе после предшествующего однократного максимально полного выдоха и последующего вдоха воздуха, очищенного от пылевых частиц. Очистку осуществляли с помощью многослойного фильтра из ткани Петрянова и специального аэрозольного фильтра.

При изучении жидкокапельного аэрозоля принимали во внимание пересыщение паров воды вдыхаемого воздуха при комнатной температуре, значительно обводняющее и укрупняющее аэрозольные частицы. По этой причине

выдыхаемый воздух разводили очищенным и осушенным с помощью хлорида кальция атмосферным воздухом, примерно в 1,5 раза снижая пересыщение пара. Абсолютного очищения от пыли примешиваемого атмосферного воздуха добиться не удалось, однако содержание в нем пылевых частиц было значительно снижено и учитывалось при расчетах.

В другой серии исследований выдыхаемый воздух с помощью специальных приспособлений смешивали с осушенным и полностью очищенным от аэрозольных частиц атмосферным воздухом в такой пропорции, что относительная влажность смеси не превышала 70%. Такой уровень влажности приводит к практически мгновенному испарению воды с поверхности аэрозольных частиц (С.С. Речменский, 1983), в результате аэрозоль в этой серии наблюдений был представлен нелетучей фракцией – «твердый» аэрозоль.

Основываясь на данных осаждения аэрозоля в дыхательных путях (М. Липпман, Б. Альтшуллер, 1980), приняли среднюю осаждаемость частиц в наших исследованиях за 20%. Истинные значения эндогенного аэрозоля и эндогенных нелетучих веществ находили, вычитая из каждого полученного значения величину, равную 80% среднего показателя контроля.

Применяя специальный технический аэрозольный фильтр в сочетании с использованием фильтра из ткани Петрянова, мы добились практически полного очищения вдыхаемого воздуха от частиц, превышающих 0,1 мкм. После этого с помощью счетчика аэрозолей и анализатора импульсов определяли содержание твердых частиц выдыхаемого эндогенного аэрозоля.

При изучении экспирации «твердого» аэрозоля и у здоровых людей, и при патологии выявилась характерная особенность: частицы выделялись не с каждым дыхательным циклом, а примерно с каждым вторым-третьим выдохом, т.е. выявилась определенная дискретность и неритмичность процесса естественного микродиспергирования бронхоальвеолярного содержимого.

Исследования, выполненные у 46 некурящих практически здоровых людей обоего пола, показали, что концентрация экспирируемого жидкокапельного аэрозоля составляет 76,0±13,0×106 в 1 м3 воздуха, а частиц твердого аэрозоля, как и предполагалось, значительно меньше – 9,1±1,8×106 в 1 м3 воздуха (21 обследованный).

Характер распределения диаметров частиц во всех случаях приближался к экспоненциальному или степенному (резкое преобладание мелкодисперсных частиц). Помимо распределения диаметров, оценивали и распределение объемов частиц, обнаружив существенные различия этих показателей (рис. 1).

Рис. 1. Характер распределения диаметра и объема частиц «твердого» эндогенного аэрозоля.

Примечание: по оси абсцисс – диаметр частиц в 1×102 мкм; по оси ординат – их доля в общей совокупности.

2.1.2. Экспирация эндогенных нелетучих веществ как количественный показатель микродиспергационного транспорта

В последние годы исследователями в области респираторной медицины разных стран все больше внимания уделяется изучению компонентов конденсата выдыхаемого воздуха. Данный метод исследования является неинвазивным, экономичным, удобным и безопасным (Э.Х. Анаев, А.Г. Чучалин, 2006; И.А. Климанов и соавт., 2006; R.M. Effors et al., 2002, 2004). Интерес к изучению конденсата растет также и потому, что на сегодняшний день это единственный метод, лишенный способности влиять на характеристики собираемых образцов. Для его получения практически нет противопоказаний. Конденсат выдыхаемого воздуха содержит около 200 летучих соединений и нелетучие макромолекулярные соединения, включая протеины, липиды, мукополисахаридные комплексы и нуклеопротеиды.

Широкое использование конденсата выдыхаемого воздуха в качестве биосубстрата для диагностических исследований при различных заболеваниях делает достаточно актуальной задачу сравнительной оценки суммарного количества эндогенных нелетучих веществ в конденсате при различных нозологиях и синдромах в клинике внутренних болезней. Такое исследование не только позволит определить особенности функционирования микродиспергационного транспорта в условиях разной патологии, но и окажется полезным с сугубо

практической стороны, облегчая исследователям правильное толкование результатов изучения отдельных нелетучих компонентов конденсата выдыхаемого воздуха при этих заболеваниях.

Таким образом, сравнительное исследование суммарных объемов эндогенных нелетучих веществ и их концентрации в конденсате выдыхаемого воздуха имеет как преимущественно теоретический (функционирование механизма микродиспергационного транспорта в физиологических условиях и при патологии), так и чисто прикладной интерес (более точные расчет и интерпретация экспирации отдельных нелетучих химических ингредиентов, присутствующих в конденсате выдыхаемого воздуха).

В проведенном нами исследовании (В.А. Добрых, И.Е. Мун, 2005) сбор конденсата выдыхаемого воздуха осуществляли с помощью портативного устройства (конденсатора), конструктивно близкого системам, применявшимся в исследованиях других авторов (Г.И. Сидоренко и соавт., 1984; В.Н. Исакова, 1997). Устройство представляло собой стеклянную колбу объемом 260 мл, охлаждаемую льдом до 0-3 градусов, что, как показали наши специальные исследования, достаточно для практически полного сбора эндогенных нелетучих веществ (В.А. Добрых, 1989). Устройство включало в себя клапанную систему с одноразовыми фильтрами и собственно конденсатор паров. Система фильтров обеспечивала очищение воздуха от экзогенных летучих примесей, содержащихся во вдыхаемом воздухе, роль которых в загрязнении конденсата выдыхаемого воздуха, как показали наши исследования, весьма существенна

(В.А. Добрых, 1989; И.Е. Мун, 2007).

В процессе сбора конденсата выдыхаемого воздуха осуществлялись меры по предотвращению попадания в конденсатор содержимого полости рта (предварительное прополаскивание рта и глотки дистиллированной водой, строгое удерживание мундштука в определенном положении, сглатывание слюны).

Сбор конденсата выдыхаемого воздуха длился 10 мин., что позволяло получать в среднем 0,8 мл конденсата. Для подсчета эндогенных нелетучих веществ полученный конденсат помещали на предметное стекло и испаряли при комнатной температуре, предохраняя с помощью специального экрана от попадания пылевых частиц, содержащихся в воздухе. Площадь сухого остатка, окрашенного по способу Романовского-Гимза, определяли при микроскопировании частиц нелетучих веществ в 12 полях зрения на предметном стекле. Основываясь на планиметрическом «методе полей» по А.А. Глаголеву, производили расчет площади, занятой эногенными нелетучими веществами (Г.Г. Ав-