Научный сотрудник лаборатории разработки метода газожидкостной искусственной вентиляции лёгких
e-mail: isabekov.nikolai@yandex.ru
Researcher of the Laboratory for the Development of the Method of Gas-Liquid Artificial Ventilation of the Lungs, Izmerov Research Institute of Occupational Health
e-mail: isabekov.nikolai@yandex.ru
Заведующий лабораторией токсикологии, канд. биол. наук
e-mail: atonshin@yandex.ru
Head of the Laboratory of Toxicology, Izmerov Research Institute of Occupational Health, Dr. of Sci. (Biol.)
e-mail: atonshin@yandex.ru
Ведущий научный сотрудник лаборатории токсикологии, канд. техн. наук
e-mail: kovrnt@mail.ru
Senior Researcher at the Laboratory of Toxicology, Izmerov Research Institute of Occupational Health, Dr. of Sci. (Tech.)
Главный научный сотрудник лаборатории разработки метода газожидкостной искусственной вентиляции лёгких, д-р мед. наук
e-mail: eu_bonitenko@mail.ru
Chief Researcher of the Laboratory for the Development of a Method of Gas-Liquid Artificial Lung Ventilation, Izmerov Research Institute of Occupational Health, Dr. of Sci. (Med.)
e-mail: eu_bonitenko@mail.ru
Введение. В настоящее время хлор широко используется в промышленности и сельском хозяйстве. На территории РФ существуют тысячи промышленных объектов, которые имеют запасы хлора в количествах, которые в случае возникновения аварийной ситуации могут привести к массовому поражению людей. Отравления хлором характеризуются стадийностью развития токсического процесса и проявляются развитием токсического отёка лёгких (ТОЛ). Респираторная терапия при ТОЛ заключается в использовании искусственной вентиляции лёгких (ИВЛ) с положительным давлением в конце выдоха и содержанием кислорода во вдыхаемой смеси (FiO2) не менее 40%. В настоящее время учёными активно разрабатываются методы жидкостной искусственной вентиляции лёгких (ЖИВЛ) с использованием перфторуглеродных (ПФУ) жидкостей в качестве альтернативы газовой ИВЛ при лечении в том числе и токсического отёка лёгких. В настоящей статье показана возможность последовательного циклического применения жидкостной и газовой (перемежающейся газожидкостной) искусственной вентиляции лёгких в сочетании с гипотермией на модели острого ингаляционного поражения хлором у крыс.
Цель исследования — оценить перспективы использования метода перемежающейся газожидкостной искусственной вентиляции лёгких, сочетающейся с гипотермией, для лечения тяжёлых ингаляционных поражений хлором.
Материалы и методы. Исследование проведено на самцах крыс вида Вистар возрастом 4 месяца, массой 192,1±2,3 г. Токсический отёк лёгких инициировался 15-минутной ингаляцией хлором в расчётной дозе 35 мг/л. Животных наркотизировали и затем рандомизировали на две группы контрольную и опытную (по 6 особей в каждой) на основании критериев включения: снижение сатурации кислорода (SpO2)<80 и увеличение частоты сердечных сокращений (ЧСС)>240 уд/мин.
В контрольной группе в течение всего исследования проводили ИВЛ. Животным опытной группы в течение часа проводили гипотермическую жидкостную вентиляцию после чего переводили на газовую, а при снижении SpO2 и ЧСС ниже допустимых значений, цикл повторяли. При этом газовую ИВЛ продолжали до окончания эксперимента. В качестве ПФУ жидкости использовали перфтордекалин. Регистрировали ЧСС, SpO2, ректальную температуру, общую выживаемость, а также продолжительность выживания.
Результаты. После ингаляции у всех животных наблюдалось тяжёлое поражение хлором. Через 10 мин после начала ИВЛ у животных контрольной группы наблюдалось повышение сатурации до 90% и уменьшение частоты сердечных сокращений до 220–240 уд./мин., сменявшееся на 20–25 мин. быстрым снижением SpO2 до предельно низких значений и увеличением ЧСС, что свидетельствовало о неэффективности проводимой вентиляции и являлось причиной развития неблагоприятных исходов.
В свою очередь в опытной группе в течение первых 5 мин. после начала ЖИВЛ регистрировалось резкое снижение ЧСС до 104±3,5 уд./мин. и увеличение SpO2 до 94±2,4%. После перевода на газовую ИВЛ время снижения контролируемых показателей ниже допустимых значений составило 45±7,9 мин. Через 5 мин. после начала второго сеанса ЖИВЛ у всех животных отмечалось повышение SpO2 и снижение ЧСС, при этом значения указанных показателей не отличались от значений, зарегистрированных при первом сеансе. После 2-го перевода на газовую ИВЛ отмечалось непродолжительное улучшение изучаемых показателей, после которого следовало ухудшение, закончившееся неблагоприятным исходом.
При изучении выживаемости было установлено, что средняя продолжительность выживания в опытной группе была в 4,57 раза больше чем в контроле и составляла 190,0±6,3 и 41,6±3,0 мин. соответственно (р<0,001).
При оценке количества выделенной отёчной жидкости при проведении ЖИВЛ было установлено, что в ходе эксперимента у животных опытной группы было аспирировано в среднем по 5,9±1,8 мл/кг.
Средняя температура тела животных контрольной группы составляла 36,2±0,3°С. В свою очередь у животных опытной группы отмечалось резкое снижение температуры в течение первых 30 мин. проведения ЖИВЛ, в среднем на 6,1±1,2°С. После чего температура стабилизировалась и до момента гибели животных находилась в пределах 30–31°С.
При патологоанатомическом исследовании было установлено, что у животных контрольной группы большое количество отёчной жидкости и пены было обнаружено в дыхательных путях и лёгких, в то время как в опытной — отёчная жидкость преобладала в верхних дыхательных путях, а в нижних — перфтордекалин. При этом массовые коэффициенты лёгких контрольной и опытной группы составляли 1,89±0,08% и 2,70±0,03% соответственно.
Ограничения исследования. Имеются количественные ограничения по наличию животных в выборке, а также качественные ограничения в экспериментах с животными с отёком лёгких после ингаляционного отравления хлором.
Выводы. Ингаляционная затравка хлором в камере объёмом 200 л с расчётной дозой 35 мг/л в течение 15 мин приводит к молниеносному развитию токсического отёка лёгких у мелких лабораторных животных (минуя стадию первичных клинических проявлений и скрытый период). Применение ЖИВЛ с использованием ПФД позволяет эвакуировать отёчную жидкость из лёгких при токсическом отёке, вызванном тяжёлым ингаляционным отравлением хлора, и тем самым сохранить газообмен в лёгких. Применение перемежающейся гипотермической газожидкостной ИВЛ позволяет поддерживать газообмен в лёгких в том случае, когда обычная механическая вентиляции оказывается не эффективной и тем самым достоверно (р<0,001) в 4,57 раза увеличить продолжительность выживания лабораторных животных. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности дальнейшей разработки методов респираторной поддержки на основе гипотермической ЖИВЛ в качестве средства лечения тяжёлых форм острого респираторного дистресс-синдрома, в том случае, когда традиционная ИВЛ уже не эффективна.
Этика. Исследования с участием лабораторных животных проходили с соблюдением следующих нормативных актов: Хельсинкской декларации 2000 г. «О гуманном отношении к животным», Приказа Минздрава СССР № 755 от 12.08.1977 г. «Правилами проведения работ с использованием экспериментальных животных», Приказа Минздравсоцразвития России № 199н от 01.04.2016 г. «Об утверждении правил лабораторной практики». Протокол исследования был одобрен этическим комитетом ФГБНУ «Научно-исследовательский институт медицины труда имени академика Н.Ф. Измерова». Протокол № 4 от 25 мая 2022 года.
Участие авторов:Исабеков Н.Р. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка данных, написание текста;Тоньшин А.А. — концепция и дизайн исследования, написание текста;Крикунов О.В. — проведение ингаляционной затравки, сбор и обработка данных;Бонитенко Е.Ю. — концепция и дизайн исследования, редактирование.
Финансирование. Работа была выполнена в рамках государственного задания, код темы FGFE-2024-0003.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Дата поступления: 24.12.2024 / Дата принятия к печати: 14.11.2025 / Дата публикации: 07.02.2025
Introduction. Currently, chlorine is widely used in industry and agriculture. There are thousands of industrial facilities located on the territory of the Russian Federation that have chlorine reserves in quantities that, in the event of an emergency, can lead to massive damage to people. Chlorine poisoning has stages of development of the toxic process with the development of toxic pulmonary edema (TPE). Respiratory therapy for TPE consists in the use of artificial lung ventilation (ALV) with positive pressure at the end of exhalation and an oxygen content in the inhaled mixture (FiO2) of at least 40%. Currently, scientists are actively developing methods of liquid artificial lung ventilation (LALV) using perfluorocarbon (PFC) liquids as an alternative to gas artificial lung ventilation (ALV), in particular, in the treatment of toxic pulmonary edema. This article shows the possibility of sequential cyclic use of liquid and gas (intermittent gas-liquid) artificial ventilation in combination with hypothermia in a model of acute inhalation chlorine damage in rats.
The study aims to evaluate the prospects of using intermittent gas-liquid artificial lung ventilation combined with hypothermia for the treatment of severe inhaled chlorine lesions.
Materials and methods. The authors have conducted a study on male Wister rats aged 4 months and weighing 192.1±2.3 g. Toxic pulmonary edema was initiated by 15-minute inhalation of chlorine at an estimated dose of 35 mg/l. The animals were anesthetized and then randomized into two groups, control and experimental (6 individuals each) based on inclusion criteria: decreased oxygen saturation (SpO2)<80 and increased heart rate (HR)>240 beats/min. The scientists performed artificial lung ventilation throughout the study in the control group. The animals of the experimental group were subjected to hypothermic liquid ventilation for an hour, after which they were switched to gas ventilation, and when SpO2 and heart rate dropped below acceptable values, the cycle was repeated. At the same time, the authors continued to ventilate with gas until the end of the experiment. Scientists used perfluorodecalin as a PFU liquid. They recorded heart rate, SpO2, rectal temperature, overall survival, and life expectancy.
Results. After inhalation, the researchers observed severe chlorine damage in all animals. 10 minutes after the start of ventilation in the animals of the control group, the authors observed an increase in saturation to 90% and a decrease in heart rate to 220–240 beats per minute, followed by 20–25 minutes. They also observed a rapid decrease in SpO2 to extremely low values and an increase in heart rate, which indicated inefficiency of ventilation and caused the development of adverse outcomes. In turn, in the experimental group, during the first 5 minutes after the start of liquid artificial lung ventilation (LALV), the researchers recorded a sharp decrease in heart rate to 104±3.5 beats/min. and an increase in SpO2 to 94±2.4%.
After switching to gas artificial lung ventilation (AVL), the time for lowering the controlled parameters below the permissible values was 45±7.9 minutes. 5 minutes after the start of the second liquid artificial ventilation session, all animals showed an increase in SpO2 and a decrease in heart rate, while the values of these indicators did not differ from the values recorded during the first session.
After the 2nd transfer to a gas ventilator, there was a short-term improvement in the studied indicators, followed by a deterioration that ended in an unfavorable outcome.
When studying survival, the authors found that the average duration of survival in the experimental group was 4.57 times longer than in the control group, and amounted to 190.0±6.3 and 41.6±3.0 minutes, respectively (p<0.001).
When assessing the amount of edematous fluid released during liquid artificial lung ventilation, the researchers found that during the experiment, that during the experiment, an average of 5.9±1.8 ml/kg was aspirated in animals of the experimental group. The average body temperature of the animals in the control group was 36.2±0.3°C. In turn, the animals of the experimental group showed a sharp decrease in temperature during the first 30 minutes of liquid artificial ventilation, by an average of 6.1±1.2°C. After that, the temperature stabilized and was in the range of 30–31°C until the death of the animals.
A pathoanatomic examination revealed that in the animals of the control group, a large amount of edematous fluid and foam was found in the respiratory tract and lungs, while in the experimental group, edematous fluid prevailed in the upper respiratory tract, and perfluorodecalin in the lower.
At the same time, the mass coefficients of the lungs of the control and experimental groups were 1.89±0.08% and 2.70±0.03%, respectively.
Limitations. There are quantitative restrictions on the presence of animals in the sample, as well as qualitative restrictions in experiments with animals with pulmonary edema after inhalation chlorine poisoning.
Conclusion. Inhalation seeding with chlorine in a 200-liter chamber with an estimated dose of 35 mg/l for 15 minutes leads to the lightning-fast development of toxic pulmonary edema in small laboratory animals (bypassing the stage of primary clinical manifestations and the latent period). The use of liquid artificial ventilation with PFDs makes it possible to evacuate edematous fluid from the lungs in case of toxic edema caused by severe inhalation chlorine poisoning, and thereby preserve gas exchange in the lungs. The use of intermittent hypothermic gas-liquid ventilation makes it possible to maintain gas exchange in the lungs in the case when conventional mechanical ventilation is ineffective and thus significantly (p<0.001) increase the survival time of laboratory animals by 4.57 times. The results obtained indicate the prospects for further development of respiratory support methods based on hypothermic ventilation as a treatment for severe forms of acute respiratory distress syndrome, in the case when traditional ventilation is no longer effective.
Ethics. Studies involving laboratory animals were conducted in compliance with the following regulations: the Helsinki Declaration of 2000. "On humane treatment of animals", Order of the USSR Ministry of Health No. 755 dated 08/12/1977 "Rules for carrying out work using experimental animals", Order of the Ministry of Health and Social Development of Russia No. 199n dated 04/01/2016 "On approval of the rules of laboratory practice". The research protocol was approved by the Ethics Committee of the Izmerov Research Institute of Occupational Health. Protocol No. 4 dated May 25, 2022.
Contribution:Isabekov N.R. — research concept and design, data collection and processing, text writing;Tonshin A.A. — the concept and design of research, writing the text;Krikunov O.V. — conducting inhalation priming, data collection and processing;Bonitenko E.Yu. — concept and design of research, editing.
Funding. The work was performed within the Framework of the state assignment, the subject code FGFE-2024-0003.
Conflict of interests. The authors declare no conflict of interests.
Received: 24.12.2024 / Accepted: 14.01.2025 / Published: 07.02.2025
The authors declare that there are no conflicts of interest present.