Аннотация. Первые обитатели нашей планеты, приспособившись к водной среде, дышали жабрами, назначением которых было экстрагирование максимального количества кислорода из воды. В ходе эволюции животные освоили богатую кислородом атмосферу суши и начали дышать легкими. Как в легких, так и в жабрах кислород через тонкие мембраны проникает из окружающей среды в кровеносные сосуды, а углекислый газ выбрасывается из крови в окружающую среду.

Поскольку и в жабрах, и в легких протекают одни и те же процессы, люди издавна задавались вопросом: смогло бы животное с легкими дышать в водной среде, если бы в ней содержалось достаточное количество кислорода? Исследование этого вопроса имеет важное для нас значение по многим причинам. Во-первых, это будет способствовать освоению глубин океана. Во-вторых, узнав о возможностях жидкостного дыхания, медики получат способы лечения и спасения людей.

Проблема: жидкостное дыхание – это изобретение, которое повлияет на будущее медицины и исследование подводного мира.

Актуальность: тему проекта считаю интересной и актуальной, поскольку, по мнению исследователей, жидкостное дыхание позволит успешно бороться с болезнями людей, представляющей в настоящее время угрозу.

Предполагаемый продукт: информационная статья для учащихся о жидкостном дыхании.

Необходимое оборудование: компьютер с доступом в интернет.

Отчеты по этапам 1.Теоретический этап

Цель: изучить теоретический материал по теме проекта: исследовать природу жидкостного дыхания.

План:

1.1. Что такое жидкостное дыхание и ПФУ.

1.2. Как возникла идея создания жидкостного дыхания.

1.3. Свойства и проблемы жидкостного дыхания.

1.4.Применение жидкостного дыхания в медицине.

1.1. Что такое жидкостное дыхание и ПФУ

Жидкостное дыхание - это форма дыхания, при которой организм, нормально дышащий воздухом, вдыхает жидкость, богатую кислородом (такую как перфторуглерод), вместо того, чтобы дышать воздухом, выбирая жидкость, которая может удерживать большое количество кислорода и способна к газообмену [5].

Для этого требуются определенные физические свойства, такие как растворимость в дыхательных газах, плотность, вязкость, давление пара и растворимость в липидах, которыми обладают некоторые перфторохимические вещества (ПФУ). Таким образом, крайне важно выбрать подходящий PFC для конкретного биомедицинского применения, такого как жидкостная вентиляция легких, доставка лекарств или заменителей крови. Физические свойства жидкостей из ПФУ существенно различаются; однако единственным общим свойством является их высокая растворимость в дыхательных газах. Фактически эти жидкости переносят больше кислорода и углекислого газа, чем кровь.

Фторуглероды представляют собой химические соединения с углерод-фтористыми связями. Соединения, содержащие много связей C-F, часто обладают отличительными свойствами, например, повышенной стабильностью, летучестью и гидрофобностью. Перфторуглероды (или ПФУ) представляют собой фторорганические соединения с формулой CxFy, то есть они содержат только углерод и фтор [1].

1.2. Как возникла идея создания жидкостного дыхания

В 1927 году в Шанхае родился Жак Майоль. Фантазии Жака были устремлены в подводный мир. Покорение морских глубин предполагалось без использования каких-либо вспомогательных технических средств – без снаряжения и на задержке дыхания. При погружении человека в глубину давление, действующее на грудную клетку, возрастает на 1 атмосферу каждые 10 метров и уже на глубине 40 метров составляет 5 атмосфер. Физиологи того времени полагали, что человек физически не сможет нырять на задержке дыхания глубже 50 метров, так как это приведет к разрушению грудной клетки и травмам, несовместимым с жизнью. Однако Жак Майоль нырнул сначала на 50, потом на 60, а затем и на 100 метров.

Изучили причины, по которым ему удалось выжить после таких погружений. Физиологами впервые были открыты новые функции человеческого организма. Оказалось, что организм каждого человека «помнит» некоторые адаптационные механизмы, позволяющие приспособиться к нахождению на глубине. Позднее этот механизм получил название «кровяной сдвиг». Кровяной сдвиг заключается в притоке крови из периферических областей тела в центральные, особенно в капилляры лёгочных альвеол. Таким образом кровь сдерживает сжатие лёгких под высоким давлением воды, позволяя нырять на глубины, значительно превышающие 40 метров (теоретический предел без учета кровяного сдвига). Данный эффект позволил сделать скачок с 40 метров до 100, а позднее и до 170. Именно такой результат (171 м, если быть точным) удалось достичь французу Лоику Леферму в категории «без ограничений». Однако движение дальше для человека невозможно. В определенный момент может произойти разрушение грудной клетки и/или коллапс (схлопывание) легкого, что гарантированно приведет к смерти. Использование дыхательных аппаратов решает проблему, создавая внутри легких давление равное внешнему. Однако, чем больше глубина, тем больше требуется газа. Так, к примеру, стандартного баллона на 12 литров, забитого на 200 бар, на глубине 200 метров хватит всего на 6 минут в спокойном состоянии, без учета стресса и физических нагрузок. Другая проблема газового решения состоит в том, что азот и гелий проникают в ткани, насыщая их под давлением, что делает необходимым декомпрессию. Ее общее время для водолазов, работающих на больших глубинах, в формате предельного насыщения составляют целую неделю [5].

Жидкостное дыхание (ЖД) - это дыхание насыщенной кислородом жидкостью. ЖД может быть спонтанным, когда животное погружается в дыхательную жидкость (ДЖ), и принудительным, когда ДЖ вводится в легкие и выводится из легких посредством специальных устройств. Принудительное ЖД разделяется на частичную жидкостную вентиляцию (ЧЖВЛ) и тотальную жидкостную вентиляцию (ТЖВЛ). Исследования жидкостного дыхания начали с экспериментов, в которых животных погружали в дыхательные жидкости. При этом после первого вдоха животные не погибали, а переходили в спонтанное дыхание жидкостью. Гибель не наступала, потому что перфторугеродные соединения (ПФУ), используемые в качестве дыхательных жидкостей, содержат большое количество растворенного кислорода, который диффундирует в кровь через альвеолярную мембрану и обеспечивает достаточную оксигенацию крови [4].

1.3. Свойства и проблемы жидкостного дыхания

Дыхание – предельно комплексный процесс, включающий в себя сложные механизмы внешнего дыхания (как происходит вдох и как газ попадает в легкие) и внутреннего дыхания (транспорт газов, обмен газами между кровью и тканями и клеточное дыхание) [5].

Проблема 1. В альвеолах легких происходит газообмен между альвеолярным воздухом и кровью. Транспортную функцию в крови выполняет гемоглобин, он транспортирует газ в двух направлениях – отдает в легкие СО2 и берет кислород, который затем доставляет в ткани. В тканях кислород отдается, а СО2 «захватывается» для транспортировки к легким. Поскольку мы живем на поверхности, вся система газообмена сбалансирована с учетом нормального атмосферного давления. При повышении давления изменяется парциальное давление газов, которое зависит от двух величин – процента газа в смеси и, собственно, давления.

Каждый газ в смеси должен быть уравновешен. Данный факт обуславливает использование в техническом дайвинге разных газовых смесей для разных глубин. Дайвер начинает погружение на одном газе, затем (при достижении заданной глубины) переходит на другой, и, добираясь до конечной точки погружения, переходит на так называемый «донный газ». При подъеме газы меняются в обратном направлении. Обычно комбинируется содержание кислорода, азота и гелия. Завершается погружение крайней декомпрессионной остановкой на 5–8 метрах на чистом кислороде.

Пока опыты проводятся при постоянном давлении – проблем нет. Но в процессе спуска и подъема давление будет меняться. А это значит, что необходимо менять и содержание газа, растворенного в дыхательной жидкости. Как это сделать в условиях компактного дыхательного аппарата, непонятно.

Проблема 2. Дело в том, что легкие - не единственная воздушная полость. Есть еще гайморовы пазухи и внутреннее ухо. В идеале необходимо удалить оттуда воздух и также заполнить их жидкостью. В теории такое возможно. Но не на терпящей бедствие подводной лодке. Все внутренние полости наполнены крайне чувствительными рецепторами. Например, во внутреннем ухе находятся рецепторы вестибулярного аппарата. Тем, кто нырял с аквалангом, может быть знакомо неприятное ощущение головокружения, возникающее при подъеме, которое возникает из-за того, что давление выравнивается недостаточно равномерно. Мозг получает разные сигналы из левого и правого уха и не может сориентироваться в пространстве. В процессе соревнований фридайверы иногда теряют сознание в воде. Обычно механизм утопления таков: человек, попавший под воду, задерживает дыхание и активно борется за жизнь. Затем начинается заглатывание воды; считается, что это уменьшает желание сделать вдох. После происходит глубокий вдох, но в результате ларингоспазма вода не проникает в нижние дыхательные пути. Рефлекторно возникший ларингоспазм препятствует попаданию воды в легкие, дыхание останавливается.

Включение в аппарат начинается с того, что нам нужно подавить кашель, – ингаляционным способом вводится специальное вещество в дозе, необходимой для конкретного человека.

Проблема 3. Если не вдаваться в анатомические подробности относительно устройства плевры и легких – у нас очень маленькое усилие на вдох, по этой причине самостоятельно «дышать» плотной жидкостью человек не может.

Ситуация усугубляется еще и тем, что в реальном газообмене участвует не весь объем легких, а только альвеолярный объем. По этой причине для нас жизненно необходима постоянная циркуляция воздуха в легких, для того чтобы альвеолярный воздух постоянно менялся.

То есть, условно говоря, в легких человека должен быть установлен механизм, который будет постоянно «перемешивать» дыхательную жидкость, если мы хотим, чтобы использовался весь ее объем. Проблема вентиляции напрямую связана с еще одной нерешенной проблемой – потерей тепла. В норме на долю легких приходится только 15% от общих теплопотерь. Но это при дыхании воздухом и в нормальном состоянии.

Механизм борьбы с переохлаждением таков: периферические сосуды сужаются, и кровоток по конечностям уменьшается. Организм старается сохранить тепло внутри себя, увеличивая внутренний кровоток, обеспечив функционирование внутренних органов и мозга. Площадь дыхательной поверхности легких при глубоком вдохе достигает 100 квадратных метров, что в 30 раз больше площади кожного покрова. По сути, это большой радиатор, в котором организм будет пытаться сохранить тепло, а аппарат жидкостного дыхания будет максимально эффективно забирать из этого резерва остатки тепла [5].

Первые эксперименты по жидкостному дыханию проводились в 60-х годах прошлого века на лабораторных мышах и крысах, которых заставили вдыхать солевой раствор с высоким содержанием растворённого кислорода. Эта примитивная смесь давала животным возможность выжить некоторое количество времени, но не могла удалять углекислый газ, поэтому лёгким животных наносился непоправимый вред.

Позже начались работы с перфторуглеродами, и их первые результаты были куда лучше результатов экспериментов с соляным раствором. Перфторуглероды — это органические вещества, в которых все атомы водорода замещены на атомы фтора. Перфторуглеродные соединения обладают способностью растворять как кислород, так и углекислый газ, они очень инертны, бесцветны, прозрачны, не могут нанести повреждения ткани лёгких и не усваиваются организмом.

Перфторан был создан в 1984 году в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН под руководством проф. Ф.Ф. Белоярцева и Г.Р. Иваницкого. Создание негемоглобинового переносчика кислорода («искусственной крови») было отмечено Государственной премией Российской Федерации в области науки и техники (1998).

В настоящее время ТЖВЛ используется только в экспериментах на животных в связи с большой технической сложностью и недостаточной проработкой методики. Однако перспективы ТЖВЛ весьма привлекательны, возможностью длительного пребывания человека на большой глубине, без развития кессонной болезни, быстрого охлаждения ядра тела при острых поражениях сердца, лечения тяжелых поражений легких и др. При ТЖВЛ легкие полностью заполняются оксигенированной ДЖ, после чего объем жидкости, соответствующий дыхательном объему, активно вводится в легкие и выводится из них посредством специальных устройств — жидкостных вентиляторов [3].

Что мешает нам использовать жидкостное дыхание? Жидкость для дыхания вязка и плохо выводит углекислый газ, поэтому понадобится принудительная вентиляция лёгких. Для удаления углекислого газа от обычного человека массой 70 килограммов потребуется поток 5 литров в минуту и выше, и это очень много с учётом высокой вязкости жидкостей. При физических нагрузках величина необходимого потока будет только расти, и вряд ли человек сможет двигать 10 литров жидкости в минуту. Наши лёгкие просто не созданы для дыхания жидкостью и сами прокачивать такие объёмы не в состоянии. Ситуация может измениться в будущем, остаётся лишь обратить надежды на исследователей в этой области [2].

1.4.Применение жидкостного дыхания в медицине

В 2019 году ФПИ начал сотрудничество с ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр акушерства, гинекологии и перинатологии им. академика В.И. Кулакова» Министерства здравоохранения РФ по разработке и внедрению жидкостного дыхания в неонатологии.

Как рассказал ТАСС директор Центра им. академика В.И. Кулакова, академик РАН, профессор, доктор медицинских наук Геннадий Сухих, изучив имеющиеся материалы, ученый совет медицинского центра пришел к выводу, что технология жидкостной искусственной вентиляции легких является перспективным направлением современной неонатальной реаниматологии.

Геннадий Сухих считает, что наиболее перспективными направлениями для использования искусственной жидкостной вентиляции легких в медицинской практике на сегодняшний день являются неонатология и реаниматология. В реаниматологии перспективными являются такие направления как лечение респираторного дистресс-синдрома, вызванного как острым поражением легких, в том числе при неспецифической пневмонии и при COVID-19, так и вторичном — при шоке. Жидкостное дыхание позволяет обеспечить поступление кислорода и удаление углекислого газа из организма в тех случаях, когда искусственная вентиляция легких уже неэффективна. Также технологию планируют использовать для ультрабыстрой гипотермии (снижения температуры тела), что позволит смягчить возможное поражение головного мозга или отдельных органов [1].

Вывод, методы.

На теоретическом этапе мы изучили, что такое жидкостное дыхание и ПФУ, узнали возникновение идеи ЖД, изучили его свойства и проблемы, также узнали применение ЖД в медицине. Были использованы методы: анализ информационных источников, классификации.

2. Практический этап

Цель: провести анкетирование учащихся, выявить уровень осведомленности о жидкостном дыхании и создать информационную статью.

План:

2.1. Анкетирование учащихся.

2.2. Результаты анкетирования.

2.3. Создание статьи.

2.4. Вывод, методы.

2.1. Анкетирование учащихся

Для того чтобы доказать, что учащиеся имеют низкую осведомленность о природе жидкостного дыхания, было проведено анкетирование учащихся разных классов. Всего участвовало 46 человек. Вопросы анкеты были составлены, исходя из цели проектной работы с опорой на информационные источники. Анкетирование проводилось анонимно, была создана ссылка на тест, который ученики проходили в учебное время.

2.2. Результаты анкетирования.

На вопрос 1 «Вы верите, что в будущем люди смогут спокойно дышать под водой без акваланга и других приборов?» 56,5% учеников выбрали ответ «нет».

На вопрос 2 «Слышали ли вы о жидкостном дыхании в нашем мире?» 69,6% учеников выбрали ответ «нет».

На вопрос 3 «Интересна ли вам эта тема?» 78,3% учеников выбрали ответ «да».

На вопрос 4 «Хотели бы больше узнать об исследованиях жидкостного дыхания в нашем мире?» 89,1% учеников выбрали ответ «да».

2.3.Создание статьи

Результаты анкетирования показали, что учащиеся действительно имеют низкую осведомленность о природе жидкостного дыхания и хотели бы узнать больше по данной теме. На основе изученных материалов была создана информационная статья для учащихся «Жидкостное дыхание».

2.4. Вывод, методы

Вывод. На практическом этапе была составлена анкета и проведено анкетирование учащихся, результаты которого показали, что ребята имеют низкую осведомленность о природе жидкостного дыхания. На основе изученных материалов была создана статья для учащихся «Жидкостное дыхание». Использовались методы: анкетирование, анализ, синтез, систематизация, графическое представление данных.

3.Оценочный этап

Цель: выполнить внутреннюю и внешнюю оценку продукта проекта.

План.

3.1.Внутренняя оценка продукта

3.2. Внешняя оценка продукта

3.3. Выводы, методы

3.1. Внутренняя оценка продукта

Работа над проектом была для меня полезной, потому что благодаря этому я узнала, что такое жидкостное дыхание, как его применяют в нашем мире, с чем столкнулись ученые при исследованиях. Также я училась находить и обрабатывать нужную мне информацию, приобрела опыт работы над созданием текста статьи для учащихся.

Внешняя оценка продукта

Мохнаткина Н.В., педагог-психолог МБОУ «Лицей», учитель по предмету «Индивидуальный проект», оценила созданный продукт: «Автором выполнена проектная работа по теме «Жидкостное дыхание». Автором изучен теоретический материл по теме. Анализ информационных источников позволил выделить некоторые аспекты природы жидкостного дыхания, проблемы и перспективы развития данного направления в современной науке. Данная тема имеет и практическую значимость для физиологии, океанологии, медицины. В результате работы над проектом был создан продукт проекта – информационная статья для учащихся. Продукт выполнен на хорошем уровне. Продукт проекта имеет практическую значимость, он может быть использован для уроков химии, биологии и внеурочной деятельности».

3.3. Вывод, методы

На оценочном этапе были выполнены внешняя и внутренняя оценка проекта. Использовались методы обобщения, описания, анализа, классификации.

Заключение

Мы предполагали, что учащиеся имеют низкую осведомленность о природе жидкостного дыхания. Нами была поставлена цель: создание информационной статьи для учащихся о природе жидкостного дыхания.

В процессе выполнения работы были решены задачи: изучен теоретический материал по теме проекта, исследована природа жидкостного дыхания, проведено анкетирование учащихся, которое позволило выявить низкий уровень осведомленности о жидкостном дыхании, создана информационная статья, проведена внутренняя и внешняя оценка продукта проекта.

На теоретическом этапе мы изучили, что такое жидкостное дыхание и ПФУ, узнали возникновение идеи ЖД, изучили его свойства и проблемы, также узнали применение ЖД в медицине.

На практическом этапе была составлена анкета и проведено анкетирование учащихся, результаты которого показали, что ребята имеют низкую осведомленность о природе жидкостного дыхания. На основе изученных материалов была создана статья для учащихся «Жидкостное дыхание».

На оценочном этапе были выполнены внешняя и внутренняя оценка проекта.

Список информационных источников

Возвращая жизни. Перспективы жидкостного дыхания в спасении больных и новорожденных. – Режим доступа: https://tass.ru/obschestvo/10992571, свободный. – Загл. с экрана.

В России успешно прошел эксперимент по жидкостному дыханию. - Режим доступа: https://www.gazeta.ru/science/news/2023/11/28/21801787.shtml, свободный. – Загл. с экрана.

Корепанов А.Л., Шуневыч О.Б., Василенко И.Ю. Жидкостное дыхание. Частичная жидкостная вентиляция легких (сообщение первое). – Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/zhidkostnoe-dyhanie-chastichnaya-zhidkostnaya-ventilyatsiya-legkih-soobschenie-pervoe, свободный. – Загл. с экрана.

Корепанов А.Л., Шуневыч О.Б., Василенко И.Ю. Жидкостное дыхание. Частичная жидкостная вентиляция легких (сообщение второе). – Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/zhidkostnoe-dyhanie-totalnaya-zhidkostnaya-ventilyatsiya-legkih-soobschenie-vtoroe/viewer, свободный. – Загл. с экрана.

«Прорывные» исследования российских ученых в сфере жидкостного дыхания: реальное положение дел. – Режим доступа: https://topwar.ru/178744-proryvnye-issledovanija-rossijskih-uchenyh-v-sfere-zhidkostnogo-dyhanija-realnoe-polozhenie-del.html, свободный. – Загл. с экрана.

Приложение

Информационная статья для учащихся «Жидкостное дыхание»

Что такое жидкостное дыхание и ПФУ

Жидкостное дыхание - это форма дыхания, при которой организм, нормально дышащий воздухом, вдыхает жидкость, богатую кислородом (такую как перфторуглерод), вместо того, чтобы дышать воздухом, выбирая жидкость, которая может удерживать большое количество кислорода и способна к газообмену [5].

Для этого требуются определенные физические свойства, такие как растворимость в дыхательных газах, плотность, вязкость, давление пара и растворимость в липидах, которыми обладают некоторые перфторохимические вещества (ПФУ). Таким образом, крайне важно выбрать подходящий PFC для конкретного биомедицинского применения, такого как жидкостная вентиляция легких, доставка лекарств или заменителей крови. Физические свойства жидкостей из ПФУ существенно различаются; однако единственным общим свойством является их высокая растворимость в дыхательных газах. Фактически эти жидкости переносят больше кислорода и углекислого газа, чем кровь.

Фторуглероды представляют собой химические соединения с углерод-фтористыми связями. Соединения, содержащие много связей C-F, часто обладают отличительными свойствами, например, повышенной стабильностью, летучестью и гидрофобностью. Несколько фторуглеродов и их производных являются коммерческими полимерами, хладагентами, лекарствами и анестетиками.

Перфторуглероды (или ПФУ) представляют собой фторорганические соединения с формулой CxFy, то есть они содержат только углерод и фтор. Терминология соблюдается нестрого, и многие фторсодержащие органические соединения называются фторуглеродами. Соединения с приставкой перфтор- представляют собой углеводороды, в том числе с гетероатомами, в которых все связи C-H заменены связями C-F. Фторуглероды включают перфторалканы, фторалкены, фторалкины и перфторароматические соединения [1].

Как возникла идея создания жидкостного дыхания

В 1927 году в Шанхае родился Жак Майоль. Этот человек примечателен тем, что в то время, пока другие грезили полетами, фантазии Жака были устремлены в подводный мир. Причем покорение морских глубин предполагалось без использования каких-либо вспомогательных технических средств – без снаряжения и на задержке дыхания. При погружении человека в глубину давление, действующее на грудную клетку, возрастает на 1 атмосферу каждые 10 метров и уже на глубине 40 метров составляет 5 атмосфер. Физиологи того времени полагали, что человек физически не сможет нырять на задержке дыхания глубже 50 метров, так как это приведет к разрушению грудной клетки и травмам, несовместимым с жизнью. Однако Жак Майоль нырнул сначала на 50, потом на 60, а затем и на 100 метров. Изучили причины, по которым ему удалось выжить после таких погружений. Физиологами впервые были открыты новые, «недокументированные» функции человеческого организма, как наследие наших подводных предков. Оказалось, что организм каждого человека все еще «помнит» некоторые адаптационные механизмы, позволяющие приспособиться к нахождению на глубине. Позднее этот механизм получил название «кровяной сдвиг». Кровяной сдвиг заключается в притоке крови из периферических областей тела в центральные, особенно в капилляры лёгочных альвеол. Таким образом, кровь сдерживает сжатие лёгких под высоким давлением воды, позволяя нырять на глубины, значительно превышающие 40 метров (теоретический предел без учета кровяного сдвига). Данный эффект позволил сделать скачок с 40 метров до 100, а позднее и до 170. Именно такой результат (171 м, если быть точным) удалось достичь французу Лоику Леферму в категории «без ограничений». Однако движение дальше для человека невозможно. В определенный момент может произойти разрушение грудной клетки и/или коллапс (схлопывание) легкого, что гарантированно приведет к смерти. Использование дыхательных аппаратов решает проблему, создавая внутри легких давление равное внешнему. Однако, чем больше глубина, тем больше требуется газа. Так, к примеру, стандартного баллона на 12 литров, забитого на 200 бар, на глубине 200 метров хватит всего на 6 минут в спокойном состоянии, без учета стресса и физических нагрузок. Другая проблема газового решения состоит в том, что азот и гелий проникают в ткани, насыщая их под давлением, что делает необходимым декомпрессию. Ее общее время для водолазов, работающих на больших глубинах, в формате предельного насыщения составляют целую неделю [5].

Жидкостное дыхание (ЖД) - это дыхание насыщенной кислородом жидкостью. ЖД может быть спонтанным, когда животное погружается в дыхательную жидкость (ДЖ), и принудительным, когда ДЖ вводится в легкие и выводится из легких посредством специальных устройств. Принудительное ЖД разделяется на частичную жидкостную вентиляцию (ЧЖВЛ) и тотальную жидкостную вентиляцию (ТЖВЛ). В представленном обзоре описаны особенности тотальной жидкостной вентиляции легких. Исследования жидкостного дыхания начали с экспериментов, в которых животных погружали в дыхательные жидкости. При этом после первого вдоха животные не погибали, а переходили в спонтанное дыхание жидкостью. Гибель не наступала, потому что перфторугеродные соединения (ПФУ), используемые в качестве дыхательных жидкостей, содержат большое количество растворенного кислорода, который диффундирует в кровь через альвеолярную мембрану и обеспечивает достаточную оксигенацию крови. ПФУ нетоксичны, химически устойчивы и биосовместимы, имеют очень низкое поверхностное натяжение и являются хорошими растворителями для дыхательных газов, что обеспечивает как удовлетворительную оксигемацию крови, так и эффективное удаления СО2. Благодаря равномерному распределению ДЖ в легких и снижение альвеоляриогоповерхностного натяжения при ТЖВЛ происходит уменьшение давления в конце вдоха в дыхательных путях и снижается перерастяжение невентилируемых зон легкого [4].

Свойства и проблемы жидкостного дыхания

Дыхание – предельно комплексный процесс, включающий в себя сложные механизмы внешнего дыхания (как происходит вдох и как газ попадает в легкие) и внутреннего дыхания (транспорт газов, обмен газами между кровью и тканями и клеточное дыхание).

Проблема 1. В альвеолах легких происходит газообмен между альвеолярным воздухом и кровью. Транспортную функцию в крови выполняет гемоглобин, при этом он транспортирует газ в двух направлениях – отдает в легкие СО2, который забрал до этого из тканей организма, и берет кислород, который затем доставляет в ткани. В тканях процесс обратный – кислород отдается, а СО2 «захватывается» для транспортировки к легким. Поскольку мы живем на поверхности, вся система газообмена сбалансирована с учетом нормального атмосферного давления. И на поверхности работает, что называется как швейцарские часы. Но часы начинают сбоить, когда равновесие нарушается. При повышении давления изменяется парциальное давление газов, которое зависит от двух величин – процента газа в смеси и, собственно, давления.

При определенном давлении сродство кислорода с гемоглобином увеличивается до такой степени, что последний теряет способность транспортировать СО2 из тканей. Что в итоге приводит к быстро развивающемуся тяжелому поражению центральной нервной системы (ЦНС) с последующими потерей сознания, конвульсиями и смертью. Данный сценарий – лишь один из многих.

Каждый газ в смеси должен быть уравновешен. Данный факт обуславливает использование в техническом дайвинге разных газовых смесей для разных глубин. Дайвер начинает погружение на одном газе, затем (при достижении заданной глубины) переходит на другой, и, добираясь до конечной точки погружения, переходит на так называемый «донный газ». При подъеме газы меняются в обратном направлении. Обычно комбинируется содержание кислорода, азота и гелия. Донный газ содержит максимальное количество гелия и минимальное кислорода. А завершается погружение крайней декомпрессионной остановкой на 5–8 метрах на чистом кислороде.

Как это относится к эксперименту с жидкостным дыханием? Пока опыты проводятся при постоянном давлении – проблем нет. Но в процессе спуска и подъема давление будет меняться. А это значит, что необходимо менять и содержание газа, растворенного в дыхательной жидкости. В лабораторных условиях жидкость можно подготовить заранее. Как это сделать в условиях компактного дыхательного аппарата, пока непонятно.

Проблема 2. Дело в том, что легкие - не единственная воздушная полость. Есть еще гайморовы пазухи и внутреннее ухо. В идеале необходимо удалить оттуда воздух и также заполнить их жидкостью. В теории такое возможно. Схожие манипуляции проводятся в специализированных условиях подготовленным врачом. Но не на терпящей бедствие подводной лодке. Если инженер посмотрит на схему внутреннего уха, то с инженерной точки зрения он не увидит серьезных проблем. Однако сложности в большей степени обусловлены медицинскими аспектами. Дело в том, что все внутренние полости наполнены специфическими рецепторами, в том числе и крайне чувствительными. Например, во внутреннем ухе находятся рецепторы вестибулярного аппарата. Тем, кто нырял с аквалангом, может быть знакомо неприятное ощущение головокружения, возникающее при подъеме, которое возникает из-за того, что давление выравнивается недостаточно равномерно. Мозг получает разные сигналы из левого и правого уха и не может сориентироваться в пространстве. Само по себе внутреннее ухо отделено от глотки. Вопрос влияния рефлексов и рецепторов в данном проекте практически не прорабатывается.

В процессе соревнований фридайверы иногда теряют сознание в воде. Обычно механизм утопления таков: человек, попавший под воду, задерживает дыхание и активно борется за жизнь. Затем начинается заглатывание воды; считается, что это уменьшает желание сделать вдох. После происходит глубокий вдох, но в результате ларингоспазма вода не проникает в нижние дыхательные пути. Рефлекторно возникший ларингоспазм препятствует попаданию воды в легкие, дыхание останавливается. При этом, когда человека поднимают на поверхность, с него первым делом снимают маску и дуют на лицо. Рецепторы распознают действие воздуха. Мозг понимает, что среда безопасна для дыхания. И оно моментально возобновляется, без каких-либо дополнительных мероприятий.

Включение в аппарат начинается с того, что нам нужно подавить кашель, – ингаляционным способом вводится специальное вещество в дозе, необходимой для конкретного человека. Это может быть внешний ингалятор или встроенный в аппарат. Человек всего лишь должен не кашлять, не должно быть смыкания голосовой щели (есть еще один, более сложный вариант – с постановкой ингаляционной трубки)

Проблема 3. Если не вдаваться в анатомические подробности относительно устройства плевры и легких – у нас очень маленькое усилие на вдох, по этой причине самостоятельно «дышать» плотной жидкостью человек не может.

Ситуация усугубляется еще и тем, что в реальном газообмене участвует не весь объем легких, а только альвеолярный объем. По этой причине для нас жизненно необходима постоянная циркуляция воздуха в легких, для того чтобы альвеолярный воздух постоянно менялся.

То есть, условно говоря, в легких человека должен быть установлен механизм, который будет постоянно «перемешивать» дыхательную жидкость, если мы хотим, чтобы использовался весь ее объем. При этом выделяемый организмом СО2 должен как-то удаляться из дыхательной жидкости. Проблема вентиляции напрямую связана с еще одной нерешенной проблемой – потерей тепла. В норме на долю легких приходится только 15% от общих теплопотерь. Но это при дыхании воздухом и в нормальном состоянии.

Важно учесть, что происходит, когда мы замерзаем, а легкие наполняются жидкостью. Механизм борьбы с переохлаждением таков: периферические сосуды сужаются, и кровоток по конечностям уменьшается. Организм старается сохранить тепло внутри себя, увеличивая внутренний кровоток, обеспечив функционирование внутренних органов и мозга. Площадь дыхательной поверхности легких при глубоком вдохе достигает 100 квадратных метров, что в 30 раз больше площади кожного покрова. По сути, это большой радиатор, в котором организм будет пытаться сохранить тепло, а аппарат жидкостного дыхания будет максимально эффективно забирать из этого резерва остатки тепла.

Первые эксперименты по жидкостному дыханию проводились в 60-х годах прошлого века на лабораторных мышах и крысах, которых заставили вдыхать солевой раствор с высоким содержанием растворённого кислорода. Эта примитивная смесь давала животным возможность выжить некоторое количество времени, но она не могла удалять углекислый газ, поэтому лёгким животных наносился непоправимый вред.

Позже начались работы с перфторуглеродами, и их первые результаты были куда лучше результатов экспериментов с соляным раствором. Перфторуглероды — это органические вещества, в которых все атомы водорода замещены на атомы фтора. Перфторуглеродные соединения обладают способностью растворять как кислород, так и углекислый газ, они очень инертны, бесцветны, прозрачны, не могут нанести повреждения ткани лёгких и не усваиваются организмом.

Перфторан был создан в 1984 году в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН под руководством проф. Ф.Ф. Белоярцева и Г.Р. Иваницкого. Создание негемоглобинового переносчика кислорода («искусственной крови») было отмечено Государственной премией Российской Федерации в области науки и техники (1998). Большой вклад в разработку клинических аспектов применения препарата внесли сотрудники кафедры анестезиологии и интенсивной терапии Днепропетровской государственной медицинской академии под руководством чл.-корр. НАН и АМН Украины, проф. Л.В. Усенко.

Таким образом, хронологически развитие проекта выглядит так:

1. Изучили опыт американцев 1960-х годов.

2. Повторили эти опыты в 1980-х годах с минимальными изменениями.

3. Проштудировали результаты исследований французов, связанные с нырянием на задержке дыхания.

4. Решили использовать в своем проекте созданный учеными перфторан.

В настоящее время ТЖВЛ используется только в экспериментах на животных в связи с большой технической сложностью и недостаточной проработкой методики. Однако перспективы ТЖВЛ весьма привлекательны, возможностью длительного пребывания человека на большой глубине, без развития кессонной болезни. Быстрого охлаждения ядра тела при острых поражениях сердца, лечения тяжелых поражений легких и др. При ТЖВЛ легкие полностью заполняются оксигенированной ДЖ, после чего объем жидкости, соответствующий дыхательном объему, активно вводится в легкие и выводится из них посредством специальных устройств — жидкостных вентиляторов [3].

С того момента жидкости для дыхания были улучшены, самое совершенное на данный момент решение называется перфлуброн или «Ликвивент» (коммерческое название). Эта маслоподобная прозрачная жидкость с плотностью в два раза выше плотности воды обладает множеством полезных качеств: она может нести в два раза больше кислорода, чем обычный воздух, имеет низкую температуру кипения, поэтому после использования окончательное её удаление из лёгких производится испарением. Альвеолы под воздействием этой жидкости лучше открываются, и вещество получает доступ к их содержимому, это улучшает обмен газами. Лёгкие могут заполняться жидкостью полностью, это потребует мембранного оксигенатора, нагревающего элемента и принудительной вентиляции. В клинической практике чаще всего используют жидкостное дыхание в комбинации с обычной газовой вентиляцией, заполняя лёгкие перфлуброном лишь частично, примерно на 40% от всего объёма.

Что же мешает нам использовать жидкостное дыхание? Жидкость для дыхания вязка и плохо выводит углекислый газ, поэтому понадобится принудительная вентиляция лёгких. Для удаления углекислого газа от обычного человека массой 70 килограммов потребуется поток 5 литров в минуту и выше, и это очень много с учётом высокой вязкости жидкостей. При физических нагрузках величина необходимого потока будет только расти, и вряд ли человек сможет двигать 10 литров жидкости в минуту. Наши лёгкие просто не созданы для дыхания жидкостью и сами прокачивать такие объёмы не в состоянии. Лёгкие человека технически способны «дышать» определённой богатой кислородом смесью, но, к сожалению, пока только на протяжении нескольких минут, поскольку лёгкие не настолько сильны, чтобы обеспечивать циркуляцию дыхательной смеси продолжительные периоды времени. Ситуация может измениться в будущем, остаётся лишь обратить надежды на исследователей в этой области [3].

Применение жидкостного дыхания в медицине

В 2019 году ФПИ начал сотрудничество с ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр акушерства, гинекологии и перинатологии им. академика В.И. Кулакова» Министерства здравоохранения РФ по разработке и внедрению жидкостного дыхания в неонатологии.

Как рассказал ТАСС директор Центра им. академика В.И. Кулакова, академик РАН, профессор, доктор медицинских наук Геннадий Сухих, изучив имеющиеся материалы, ученый совет медицинского центра пришел к выводу, что технология жидкостной искусственной вентиляции легких является перспективным направлением современной неонатальной реаниматологии.

«Порой в своей работе — спасении, выхаживании недоношенных детей и детей с тяжелыми врожденными пороками — мы сталкиваемся с ситуацией, когда уже ничего не можем сделать, имея на вооружении только старые методы. На мой взгляд, новая технология обеспечения дыхательных систем станет одной из ключевых точек дальнейшего роста неонатологии и детской хирургии. Такие фразы редко сейчас звучат, но в мире сейчас нет аналогов российским разработкам жидкостного дыхания. Наша задача сейчас — не опоздать, сделать все очень консолидировано», — сказал академик РАН.

В течение 2020 года ведущие специалисты центра участвовали в проекте «Терек-1» — «Разработка технологии спасения подводников свободным всплытием с использованием метода жидкостного дыхания». Прорабатывалась возможность диверсификации результатов для гражданской медицины и неонатологии, в частности, в НИИ медицины труда им. академика Н.Ф. Измерова были проведены лабораторные эксперименты на животных. В рамках опытов животные подключались к экспериментальному образцу аппарата жидкостного дыхания, их легкие заполнялись специальной субстанцией, в результате происходило насыщение крови растворенным кислородом. Все исследования прошли успешно. В завершение проекта был разработан экспериментальный образец аппарата искусственной жидкостной вентиляции легких и концепция его применения в медицинской практике. Как пояснил Геннадий Сухих, наиболее перспективными направлениями для использования искусственной жидкостной вентиляции легких в медицинской практике на сегодняшний день являются неонатология и реаниматология. У новорожденных жидкостное дыхание может использоваться при широком перечне жизнеугрожающих состояний: асфиксия новорожденных при родах, респираторный дистресс-синдром, а также при пороках развития, например, тяжелые формы бронхолегочной дисплазии. В реаниматологии перспективными являются такие направления как лечение респираторного дистресс-синдрома, вызванного как острым поражением легких, в том числе при неспецифической пневмонии и при COVID-19, так и вторичном — при шоке.

Он добавил, что жидкостное дыхание позволяет обеспечить поступление кислорода и удаление углекислого газа из организма в тех случаях, когда искусственная вентиляция легких уже неэффективна. Кроме того, у новорожденных с неразвитыми легкими использование жидкостного дыхания может применяться в терапевтических целях для мягкой формы развития легких, подготовки к самостоятельному дыханию. Также технологию планируют использовать для ультрабыстрой гипотермии (снижения температуры тела), что позволит смягчить возможное поражение головного мозга или отдельных органов. Как рассказал академик, уже сегодня при терапии новорожденных существует технология гипотермии. Она применяется в сложных акушерских ситуациях, например когда во время родов возникла асфиксия. На сегодняшний день она успешно используется для того, чтобы смягчить последствия и неврологическую симптоматику, которая потенциально может развиться у ребенка [1].

Автор материала: Д. Шишкина (10 класс)

Опубликовано 06.02.24 в 15:41

Нажмите, чтобы скачать публикацию (.doc)

Размер файла: 76.82 Кбайт

Комментарии (0)

Чтобы написать комментарий необходимо авторизоваться.