Статья: Особенности компенсаторно-приспособительной реорганизации дыхательной системы в условиях гипотермического воздействия различного уровня

Особенности компенсаторно-приспособительной реорганизации дыхательной системы в условиях гипотермического воздействия различного уровня

Соседова М.Н.¹,

Корсиков Н.А.¹,

Долгатов А.Ю.¹,

Концеба В.В.¹,

Долгатова Е.С.¹,

Невмержицкая А.И.¹,

Лепилов А.В.¹,

Бобров И.П.¹,

Гервальд В.Я.¹Аннотация

Действие низких температур на живой организм приводит к реорганизации и структурной перестройке тканей и органов. Данные процессы в большей степени зависят от длительности, интенсивности воздействия холода на организм, а также от состояния самого организма. Адаптация к воздействию низких температур может продолжаться до 5-7 лет, преимущественно затрагивая систему органов дыхания и кожные покровы. Адаптационные реакции сопровождаются активацией перекисного окисления липидов, снижением антиоксидантной защиты, нарушением целостности клеточных мембран, изменением кислородного режима, изменениями в свертывающей системе крови, нарушением двигательной активности ресничек мерцательного эпителия, снижением местного иммунного ответа слизистой органов дыхания. В настоящем обзоре приведены результаты последних работ, посвященных воздействию низких температур на ткань легких. Подробно рассмотрен вопрос ее морфометрических изменений. Актуальность данной статьи заключается в отсутствии подобных обзоров за последние несколько лет и необходимости систематизации имеющихся на настоящий момент результатов исследований. Более полное понимание механизмов воздействия гипотермии на такой жизненно важный орган, как легкие, может сыграть значительную роль не только в сфере клинической медицины и физиологии, но и в судебно-медицинской экспертизе при установлении причины смерти.

Ключевые слова: адаптация, холодовой стресс, гипотермия, органы дыхания, легкие. легкое гипотермия температура

PECULIARITIES OF COMPENSATORY-ADAPTIVE REORGANIZATION OF THE RESPIRATORY SYSTEM UNDER CONDITIONS OF HYPOTHERMIC EFFECTS OF DIFFERENT LEVELS

Sosedova M.N.¹, Korsikov N.A.¹, Dolgatov A. Yu.¹, Kontseba V.V.¹, Dolgatova E.S.¹, Nevmerzhitskaya A.I.¹, Lepilov A.V.¹, Bobrov I.P.¹, Gervald V. Y.¹

The effect of low temperatures on a living organism leads to the reorganization and structural restructuring of tissues and organs. These processes depend to a greater extent on the duration, intensity of exposure to cold on the body, as well as on the state of the body itself. Adaptation to low temperatures can last up to 5-7 years, mainly affecting the respiratory system and skin. Adaptation reactions are accompanied by activation of lipid peroxidation, decrease of antioxidant protection, disturbance of cell membrane integrity, changes in oxygen regime, changes in blood coagulation system, disturbance of motor activity of cilia of atopic epithelium, decrease of local immune response of respiratory mucosa. This review presents the results of recent works devoted to low temperature effect on lung tissue. The question of its morphometric changes is considered in detail. Relevance of this article lies in the lack of similar reviews over the past few years and the need to systematize the currently available research results. A more complete understanding of the mechanisms of hypothermia effects on such a vital organ as lungs can play a significant role not only in clinical medicine and physiology, but also in forensic medical examination in order to establish the cause of death.

Keywords: adaptation, cold stress, hypothermia, respiratory organs, lungs.

Гипотермия - переохлаждение организма, которое является чрезмерным для поддержания нормального метаболизма и функционирования организма. Для человека критическим переохлаждением считается снижение температуры до 35°С и ниже. Гипотермия классифицируется в зависимости от уровня температуры на легкую (32-35°С), умеренную (28-32°С), тяжелую (28-20°С) и глубокую (< 20°С) [1].

Тепло, выделяемое преимущественно мышечной тканью, а также печенью и сердцем, теряется через кожу и легкие. При снижении температуры тела возникают многие физиологические изменения. Они в основном локализуются в сердечно-сосудистой системе, приводят к формированию J-волны Осборна и другим аритмиям, снижению электрической активности ЦНС, холодовому диурезу и некардиогенному отеку легких [2, 3]. При постепенном снижении общей температуры тела сердце и легкие замедляют свою работу. Так запускается процесс теплосбережения организма, направленный на предотвращение гипотермического повреждения головного мозга. При дальнейшем падении температуры замедляется умственная активность, снижаются частота дыхания и сердечный ритм [4, 5].

Зависимость функционального состояния дыхательной системы от экологического состояния окружающей среды является важной проблемой России. По данным Росстата, в период с 1990 по 2020 гг. среднегодовая смертность от заболеваний органов дыхания составила 88 949 человек. Так, в 2014 г. в России (без учета Крымского федерального округа) показатель смертности населения от заболеваний органов дыхания составил 54,5, в том числе от пневмоний - 27,2 на 100 тыс. населения. В структуре смертности населения России по причине заболеваний органов дыхания в 2014 г. пневмония составляла 49,9% всех случаев, хронические болезни нижних дыхательных путей - 43,2%, в том числе хроническая обструктивная болезнь легких - 40,39%, бронхиальная астма - 2,3%. За 9 месяцев 2015 г. показатель смертности населения от заболеваний органов дыхания составил 52,9, от пневмоний - 24,6, от гриппа и острых респираторных заболеваний - 0,3 на 100 тыс. населения [6].

На данный момент существует большое количество литературы, посвященной гипотермии. Но при этом лишь малая ее часть посвящена морфофункциональным изменениям, возникающим в легочной ткани при холодовой травме. Имеется не так много исследований, в которых можно найти информацию об адаптационно-приспособительных процессах бронхолегочной системы. Данные проблемы делают тему литературного обзора актуальной для фундаментальной и клинической медицины.

Цель исследования: изучить особенности морфофункциональной реорганизации ткани легкого в условиях холодовой травмы, определить уровень разработанности проблемы и перспективы дальнейшего изучения.

В рамках исследования были произведены анализ и обобщение литературных данных, проведены сравнительный анализ полученной информации, обобщение результатов исследования, формулировка выводов. В исследовании использовались статьи, опубликованные в открытой печати, в электронных версиях и свободно доступные в полнотекстовом варианте. Были использованы базы данных: E-Library; Cochrane; MEDLINE; EMBASE и др. Критерии отбора: год выхода не ранее 2012, соответствие содержания исследуемому вопросу.

Холод, воздействуя на организм, вызывает развитие компенсаторно-приспособительных реакций в ткани легких, которые направлены на поддержание нормальной температуры тела. Бронхо- и бронхиолоспазм препятствует резкому проникновению холодного воздуха в дыхательные пути и уменьшает площадь соприкосновения с эпителием. Благодаря "калориферному" эффекту в перибронхиальных сосудах воздух согревается, а обильная секреция слизи тормозит охлаждение эпителия за счет испарения. Компенсаторная эмфизема возникает перибронхиально вокруг спазмированных бронхов. Остальные изменения, характерные для гипотермии (очаговые дистелектазы, стазы эритроцитов в просветах капилляров, артериол и венул, внутриальвеолярный отек, кровоизлияния в просветы альвеол и выпадение фибрина), возникают при срыве адаптации к низким температурам [7, 8, 9].

При анализе данных признаков у людей, погибших от смертельной гипотермии, было выявлено, что при медленном темпе умирания изменения в органах дыхания имели более выраженный характер. Стоит отметить, что смерть от переохлаждения часто возникает на фоне сопутствующей патологии, из-за которой снижается уровень достоверности морфологических признаков, специфических для гипотермии [10, 11].

Отдельного внимания заслуживают результаты экспериментальных исследований С.В. Зиновьева и соавторов [12]. При органометрическом исследовании органов дыхания крыс в эмбриональном периоде, на которых оказывала действие низкая температура, отмечается изменение строения легких: в левом легком отсутствует междолевая борозда, а также отмечается резкое полнокровие легочных вен, которое лежит в основе развития легочной гипертензии. При цитологическом исследовании бронхоальвеолярного лаважа отмечается инфильтрация просветов альвеол и бронхиол воспалительными клетками (нейтрофильными лейкоцитами, лимфоцитами и макрофагами). Отсутствие междолевой борозды при наличии двух долевых бронхов вызывает возникновение гипостатических явлений в левой легочной вене, потому что препятствует спадению левого легкого у крыс при выдохе.

При воздействии нескольких стрессовых факторов (низкой температуры и иммобилизации) возникают изменения в кровоснабжении легких в виде сниженного кровенаполнения, вазоконстрикции прекапилляров, а также происходит венозный застой крови по малому кругу кровообращения. Данные гемодинамические изменения отмечаются у подавляющего числа экспериментальных животных. В морфологической картине основные изменения отмечались в микроциркуляторном русле и сопровождались развитием спазма артериол и полнокровием капилляров, а также полнокровием посткапиллярных венул. На конечных этапах исследования реактивный бронхоспазм приводил к очаговой эмфиземе, чередующейся с очаговыми дистелектазами в ткани легкого [13, 14].

На современном этапе развития медицинских знаний методы гипотермии широко используются в кардиохирургии. В условиях гипотермии для защиты организма от повреждающего действия ишемии проводятся операции по поводу аневризмы и расслоения аорты. В самом начале исследований применялась глубокая гипотермия, на данный момент имеются работы, в которых рассматривается использование умеренной и легкой гипотермии. Это позволяет сократить продолжительность искусственной вентиляции легких в операционном периоде, снизить риски коагулопатии и повышения системного воспалительного ответа и дальнейшего развития синдрома полиорганной недостаточности [15, 16].

Методы гипотермии применяются при лечении хронической посттромбоэмолической легочной гипертензии. Обычно тромбэндартерэктомия из ветвей легочной артерии выполняется при искусственном кровообращении и гипотермической остановке кровообращения. Минусом данного метода является большой риск развития ишемии головного мозга с развитием неврологического дефицита, нарушения свертывающей системы крови, почечной недостаточности, а также развития SIRS, что может привести к дыхательной дисфункции.

Были проанализированы дифференциально экспрессируемые гены (ДЭГ) при радиационно-индуцированном поражении легких крыс и выявлен формирующийся защитный механизм вследствие легкой гипотермии при радиационно-индуцированном поражении легких у крыс на транскриптомном уровне. 2 790 ДЭГ в группе с легкой гипотермией были сравнены с модельной группой. Выявлено, что 2 257 генов были активированы, а 533 гена были подавлены. Когда для проверки 5 ключевых генов использовали ПЦР в реальном времени, результат согласовывался с последовательностью РНК. В итоге были выявлены ДЭГ, доказывающие защитную роль легкой гипотермии от радиационного поражения легких у крыс [17].

Отдельного внимания заслуживают исследования, где при воздействии на крыс иммерсионной гипотермии температурой 8-10⁰С длительностью 90 минут у них возникал паралич дыхательного центра, который приводил к остановке дыхания. Далее в экспериментальной модели подсоединяли аппарат искусственного дыхания. Это приводило к восстановлению сердечного ритма и мозгового кровоснабжения. Метод искусственной вентиляции легких позволяет продлевать работу сердца и поддерживать мозговое кровоснабжение при остановке дыхания, вызванной низкими температурами. При дальнейшем продолжении эксперимента отмечалось влияние времени начала искусственной вентиляции легких при воздействии гипотермии. Было выяснено, что, чем меньше интервал подключения к аппарату искусственного дыхания, тем быстрее сердце восстанавливает свою работу и ритм. Чем дольше длится период гипоксии сердечной мышцы, тем более выражены повреждения кардиомиоцитов. Таким образом, при спасении пострадавших от действия низких температур при необходимости жизненно важным является подключение аппарата искусственной вентиляции легких для кислородного обеспечения сердца и организма в целом [18, 19, 20].

При исследовании действия гипотермии на эпителий дыхательных путей крыс разного возраста было отмечено, что в эпителии трахеи возрастает количество тучных, бокаловидных и промежуточных клеток одинаково у старых и молодых крыс. У старых крыс при охлаждении в эпителии встречаются гипертрофированные реснитчатые клетки, резко снижается количество базальных клеток. Во внутридольковых бронхах отмечается наличие клеток Клара и реснитчатых клеток, причем в группе старых крыс клетки Клара теряют контакт с базальной мембраной. У молодой популяции отмечались пролиферация реснитчатых клеток, а также повышенная митотическая активность клеток Клара. У старых наблюдалась противоположная картина - снижение числа реснитчатых клеток, основная часть которых имела признаки развития дегенеративных процессов. После воздействия низких температур отмечалась активация перекисного окисления липидов в обеих группах исследования. Показатель витамина Е снижался как у молодых, так и у старых животных, но выраженные изменения отмечались в группе старых крыс. Данные изменения свидетельствуют о менее активной приспосабливаемости к низким температурам у старых крыс ввиду снижения антиоксидантной защиты и, как следствие, более интенсивной активации реакций перекисного окисления липидов, что приводит к дальнейшему росту количества поврежденных клеток. При влиянии низкой температуры в течение 14 дней на экспериментальных животных отмечались накопление в тканях начальных производных перекисного окисления липидов - диеновых конъюгатов - и снижение окончательных продуктов - малонового диальдегида. В легких концентрация малонового альдегида снижалась в 3 раза в сравнении с группой контроля. А краткосрочное воздействие гипотермии на крыс вызывало снижение активности каталазы, повышенную продукцию низкомолекулярных антиоксидантов. В легких крыс экспериментальной группы данный показатель был выше в 22 раза по сравнению с крысами интактной группы. Активность каталазы в ткани легкого снижалась относительно контрольных значений в 1,7 раза [21].