Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние озона и цитохрома С на функциональное состояние крови и сердца при искусственном кровообращении

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Бояринова, Лариса Валентиновна, Нижний Новгород

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.И.ЛОБАЧЕВСКОГО ВОЕННО-МЕДИЦИНСКИЙ ИНСТИТУТ ФПС РФ

На правах рукописи УДК 616.12-092]-085.22

БОЯРИНОВА ЛАРИСА ВАЛЕНТИНОВНА

ВЛИЯНИЕ ОЗОНА И ЦИТОХРОМАС НА ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ КРОВИ И СЕРДЦА ПРИ ИСКУССТВЕННОМ КРОВООБРАЩЕНИИ

03.00.13 - физиология человека и животных

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители:

доктор биологических наук, профессор

В.Н. Крылов кандидат медицинских наук, доцент В.И. Андрюхин

НИЖНИЙ НОВГОРОД -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Список сокращений...................................................................................................5

Введение......................................................................................................................7

Глава 1. ПРОБЛЕМА ГИПОКСИИ ПРИ ОПЕРАЦИЯХ НА ОТКРЫТОМ СЕРДЦЕ В УСЛОВИЯХ ИСКУССТВЕННОГО КРОВООБРАЩЕНИЯ (обзор литературы) 14

1.1. Гипоксия и методы ее коррекции при ИК..................................................14

1.1.1. Гипоксические аспекты ИК............................................................................14

1.1.2. Методы предупреждения и коррекции гипоксии при ИК...........................17

1.1.3. Свойства озона, его биологическое действие и применение

в медицине.......................................................................................................18

1.2. Гипоксические аспекты реперфузии сердца..............................................25

1.2.1. Механизмы реперфузионных повреждений сердца и способы

их коррекции..................................................................................................26

1.2.2. Физиологические свойства, метаболические эффекты противогипоксического действия цитохрома С..........................................29

Глава 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ................................37

2.1. Клинические наблюдения............................................................................37

2.1.1. Характеристика групп больных, у которых в период искусственного кровообращения изучали кислородно-транспортную функцию и метаболические показатели

крови...............................................................................................................37

2.1.2. Характеристика групп больных, у которых в реперфу-зионном периоде изучали кислородно-транспортную

функцию крови и метаболизм миокарда.....................................................41

2.1.3. Методика проведения искусственного кровообращения,

защиты сердца от ишемии и реперфузии...................................................45

2.2. Программа экспериментальных исследований.......................................45

2.2.1. Характеристика экспериментального материала.......................................45

2.2.2. Методика регистрации параметров сократительной

функции миокарда на изолированном сердце............................................45

2.3. Методы исследования...................................................................................49

2.3.1. Методы исследования кислородно-транспортной функции крови...........49

2.3.2. Методика определения АТФ и 2,3-ДФГ......................................................50

2.3.3. Методы определения количества субстратов углеводного обмена...........51

2.3.4. Методы определения продуктов ПОЛ и активности СОД.........................52

2.3.5. Методы определения ферментов и жирных кислот...................................53

2.3.6. Методы статистической обработки..............................................................53

Глава 3. ВЛИЯНИЕ ОЗОНА НА ГАЗОВЫЙ СОСТАВ, КОС,

МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ КРОВИ И ХИМИЧЕСКУЮ СТРУКТУРУ ФАРМАКОЛОГИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ ПРИ ИСКУССТВЕННОМ КРОВООБРАЩЕНИИ..........................................................................54

3.1. Изменения газового состава, КОС и метаболических показателей крови при озонировании перфузата во время ИК............................54

3.2. Влияние озонирования фармакологических растворов,

применяемых при ИК, на их химическую структуру....................................69

3.3. Заключение........................................................................................................85

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-КЛИНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА

ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ РЕПЕРФУ-

ЗИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ СЕРДЦА ЦИТОХРОМОМ С 86 4.1. Экспериментальная оценка антигииоксического действия

цитохрома С при реиерфузии изолированного сердца крыс.................86

4.1.1. Влияние добавления различных доз цитохрома С в перфузат в

реперфузионном периоде на сократительную функцию миокарда........86

4.1.1.1. Изменения сократительной функции миокарда в контрольной серии...........................................................................87

4.1.1.2. Изменение сократительной функции миокарда при добавлении в перфузат цитохрома С в дозе 1,5 мг/л....................87

4.1.1.3. Изменение сократительной функции миокарда при добавлении в перфузат цитохрома С в дозе 1 мг/л.......................91

4.1.1.4. Изменение сократительной функции миокарда при добавлении в перфузат цитохрома С в дозе 0,5 мг/л....................92

4.1.1.5. Изменение сократительной функции миокарда при добавлении в перфузат цитохрома С в дозе 0,25 мг/л..................93

4.1.2. Влияние добавления цитохрома С в дозе 0,5 мг/л в раствор Кребса-Хензеляйта на коронарный кровоток, рН, рОг и рСОг перфузата.......................................................................................................94

4.1.3. Влияние добавления цитохрома С в дозе 0,5 мг/л в раствор Кребса-Хензеляйта на содержание продуктов ПОЛ в миокарде.............99

4.1.4. Заключение..................................................................................................102

4.2. Клиническая оценка антигипоксического действия

цитохрома С при реперфузии сердца.......................................................103

4.2.1. Влияние цитохрома С на содержание АТФ и 2,3-ДФГ в эритроцитах и газов в притекающей и оттекающей от сердца крови...............103

4.2.2. Влияние цитохрома С на метаболизм миокарда.....................................114

4.2.2.1. Изменение содержания предельных жирных кислот и глюкозы в притекающей и оттекающей от сердца крови.......................114

4.2.2.2. Изменение активности энзимов в плазме

оттекающей от сердца крови.....................................................................117

4.2.3. Заключение..................................................................................................119

Глава 5. Обсуждение результатов....................................................................121

ВЫВОДЫ.............................................................................................................131

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ.........................................................132

УКАЗАТЕЛЬ ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................133

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АДФ - аденозиндифосфорная кислота

АМФ - аденозинмонофосфорная кислота

АД - адениловые нуклеотиды

АОА - антиоксидантная активность

АОС - антиоксидантная система

АТФ - аденозинтрифосфорная кислота

ВЕ - дефицит буферных оснований

ДК - диеновые коньюгаты

+БР / т - скорость сокращения миокарда

- БР / БТ - скорость расслабления миокарда

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота

2,3-ДФГ - 2,3-Дифосфоглицерат

2,3-ДФГМ - 2,3-Дифосфоглицератмутаза

2,3-ДФГФ - 2,3-дифосфоглицератфосфатаза

ЖК - жирные кислоты

ИК - искусственное кровообращение

кк - коронарный кровоток

кос - кислотно-основное состояние

КПР - кардиоплегический раствор

КФК - креатинфосфокиназа

КФ - креатинфосфат

МДА - малоновый диальдегид

лдг - лактатдегидрогеназа

НАД - никотинамидцинукле отид

НАДН - никотинамиддинуклеотид восстановленнный

НАДФ - никотинамиддинуклеотид фосфат

НАДФН - никотинамиддинуклеотид фосфат восстановленный

нь - гемоглобин

ньо2 - оксигемоглобин

нжк - ненасыщенные жирные кислоты

осн - острая сердечная недостаточность

ош - основания Шиффа

пнжк - полиненасыщенные жирные кислоты

пол - перекисное окисление липидов

Рр - развиваемое давление

АрН -артерио-венозная разница рН

Лр02 - артерио-венозная разница по кислороду

АрСОг - венозно-артериальная разница по углекислому газу

сод - супероксидцисмутаза

ФХКП - фармакохолодовая кардиоплегия

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы: Развитие сердечно-сосудистой хирургии способствовало внедрению в практику метода искусственного кровообращения, позволяющего поддерживать жизнь человека при коррекции сердечной патологии [19, 44, 48, 54, 170, 265].

Однако перфузия, особенно длительная, осуществляемая аппаратами ИК, далека от идеальной в силу целого ряда причин, наиболее существенными из которых являются гемодилюция, гипотермия, нефизиологичные условия циркуляции и разрушение форменных элементов крови в оксигенаторе [95].

Несмотря на постоянное усовершенствование аппаратов искусственного кровообращения, методик проведения перфузии и способов управления ею и использовании фармакологических препаратов, длительное ИК до сих пор еще часто приводит к развитию осложнений со стороны различных органов [82, 136]. Основным патогенетическим звеном при длительном ИК, вызывающим необратимые изменения в органах и тканях, является гипоксия, которая в данной ситуации приобретает смешанный характер.

При искусственном кровообращении в результате нарушения гемодинамики и микроциркуляции формируется циркуляторная гипоксия, а вследствие уменьшения количества циркулирующих эритроцитов, низкой концентрации гемоглобина и расстройств кислородсвязывающих свойств последнего развивается гемическая гипоксия. Все это приводит к снижению транспорта и отдачи кислорода эритроцитами клеткам, что является причиной развития тканевой гипоксии [35, 236]. Таким образом формируется гипоксия, от которой страдают клетки всех органов [28, 82, 191]

Все это убедительно свидетельствует о необходимости разработки методов повышения устойчивости органов и тканей организма человека к гипоксиче-ским повреждениям при искусственном кровообращении. В этой связи наше внимание привлек озон, ибо отдельные экспериментальные исследования свидетельствуют о его противогипоксическом действии [17, 82, 112, 117, 171, 202]. Между тем, сведения, касающиеся механизмов противогипоксического действия озона при искусственном кровообращении у человека в литературе отсутствуют.

Учитывая то, что применение ИК связано с использованием различных фармакологических средств, было важно также ответить на вопрос: изменяется ли их химическая структура при обработке микродозами озона, так как последний, по данным С.Д. Разумовского и Г.С. Зайкова (1974) является сильным окислителем.

Применение ИК при операциях на открытом сердце позволяет снабжать кровью весь организм, когда сердце выключают из кровообращения на 40-90 минут в зависимости от сложности хирургического вмешательства. При этом в ряде случаев оперативное вмешательство заканчивается сердечной недостаточностью. Поэтому успех этих операций зависит также от разработки эффективных методов защиты миокарда. В настоящее время предложено много способов повышения устойчивости сердечной мышцы к ишемии, основным из которых является фармакохолодовая кардиоплегия [29, 78, 246]. Однако, несмотря на имеющийся арсенал средств и методов повышения устойчивости миокарда к ишемии послеоперационная сердечная недостаточность продолжает до сих пор оставаться одной из основных причин летальности больных после операции на открытом сердце, выполненных в условиях искусственного кровообращения [77, 134,228].

Широко известно, что при восстановлении коронарного кровотока ишеми-зированного миокарда наблюдается парадоксальная ситуация: реперфузия не только не способствует нормализации метаболизма, структуры и функции сердечной мышцы, но и катастрофически быстро повышает степень повреждения кардиомиоцитов, имеющих место при ишемии [28, 270, 288]. В настоящее время установлено, что в патогенезе острой послеоперационной сердечной недостаточности наряду с ишемическими нарушениями важную роль играет повреждающее действие реперфузии на сердечную мышцу [227, 255]. В связи с этим важной задачей при кардиохирургических операциях с искусственным кровообращением является поддержание компенсаторно-резервных возможностей миокарда в реперфузионном периоде. Используемые в настоящее время способы снижения реперфузионных повреждений сердца в основном предусматривают применение различных фармакологических средств, препятствующих снижению уровня высокоэнергетических фосфатов в сердечной мышце [75, 177, 254, 292],

активации процессов ПОЛ во время реперфузии [35, 158]. Однако, в мероприятиях, направленных на предупреждение реперфузионных повреждений миокарда при операциях на открытом сердце в условиях ИК, отсутствует единый подход к разработке четко обоснованного комплекса мероприятий. Чаще всего эти воздействия носят симптоматический характер. Все это ставит вопрос о необходимости проведения научных исследований в плане выявления и уточнения механизмов развития реперфузионных повреждений в миокарде, так и совершенствования методов их предупреждения при операциях на открытом сердце в условиях озонированного искусственного кровообращения.

С целью предупреждения реперфузионных повреждений миокарда наше внимание привлек цитохром С. Последний широко применяется при гипоксиче-ских состояниях различной этиологии [18,176], однако в литературе отсутствуют сведения о дозах и противореперфузионных механизмах этого препарата в кардиохирургии при озонированном искусственном кровообращении.

Принимая во внимание вышеизложенное и тот факт, что кровь, как функциональная система объединяет работу многих физиологических систем организма, а ее метаболический потенциал отражает гомеостаз человека [109] была определена цель исследования данной работы.

Цель и задачи исследования: изучить влияние озона и цитохрома С на функциональное состояние крови и сердца при искусственном кровообращении

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Изучить направленность изменений кислородно-транспортной функции и метаболических показателей крови при оксигенированном и озонированном искусственном кровообращении у человека.

2. Провести анализ инфракрасных спектров поглощения перфузата и фармакологических средств, применяемых во время искусственного кровообращения, до и после озонирования.

3. Определить корригирующую дозу цитохрома С при реперфузии ишеми-зированного изолированного сердца крыс.

4. Исследовать влияние цитохрома С на кислородно-транспортную функцию крови и метаболические показатели притекающей и оттекающей от сердца крови человека в реперфузионном периоде при озонированном искусственном кровообращении.

Научная новизна работы. В результате исследований впервые:

■ Изучено противогипоксическое действие озона и кардиопротекторное влияние цитохрома С при искусственном кровообращении у человека.

■ Установлено, что обработка перфузата микродозами озона (0,05 -0,1 мг/л) повышает содержание 2,3-ДФГ в эритроцитах в гипотермический период ИК.

■ Показано, что озон, предупреждает нарушения процессов потребления кислорода организмом человека во время ИК, и, вследствие этого, уменьшает содержание глюкозы и лактата в венозной крови.

■ Выявлено, что озонирование перфузата с содержанием озона 0,05 -0,1 мг/л во время ИК повышает активность супероксиддисмутазы (СОД) и не вызывает нарастание продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ) в венозной крови.

■ Проведен анализ инфракрасных спектров поглощения перфузата и фармакологических средств, применяемых при искусственном кровообращении, до и после озонирования, показавший, что озон в концентрации до 2 мг/л не вызывает изменения их химической структуры.

■ Дана оценка эффективности кардиопротекторного действия различных доз цитохрома С при реперфузии ишемизированного изолированного сердца крыс. Наиболее эффективно защищает сердце цитохром С в дозе 0,5 мг/л перфу-зионного раствора.

■ Установлено, что цитохром С в реперфузионном периоде восстанавливает потребление кислорода и окисление жирных кислот в сердце человека, а также снижает активность креатинфосфокиназы и лактатдегидрогеназы в плазме крови коронарного синуса.

Теоретическая и практическая значимость полученных результатов, внедрение их в практику.

Установленные эффекты озона и цитохрома С свидетельствуют о возможности снижения метаболических нарушений в функциональной системе крови человека при искусственном кровообращении и во время реперфузии сердца. Это позволяет повысить эффективность профилактики гипоксических и репер-фузионных осложнений при кардиохирургических операциях, требующих выключения сердца из кровообращения.

Теоретический и практический интерес представляют результаты сравнительного анализа инфракрасных спектров поглощения перфузата и фармакологических средств (реланиума, калипсола, ардуана, гепарина, кардиоплегического раствора № 1 и 2, нитроглицерина, адреналина и лидокаина), применяемых при ИК, до и после обработки их озоном, свидетельствующие об отсутствии влияния озона на их химическую структуру. Эти данные позволяют использовать указанные препараты в процессе озонированного ИК. Результаты исследования влияния озона на физиологический раствор (КаС1 - 0,9%) по данным ультрафиолетового и инфракрасных спектров показали, что озонирование физиологического раствора не приводит к образованию гипохлорита натрия и других хлоркисло-родсодержащих ионов, а это позволяет рекомендовать использовать физиологический раствор для разведения фармакологических средств, применяемых при озонированном ИК, и как инфузионную среду, парантерально вводимую человеку в качестве переносчика озона.

Разработанные методы предупреждения метаболических нарушений в о�