УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2007, том 38, № 2, с. 63-74
УДК 612.592
L'etude des mecanismsde la mort est un des moyens pour reveler les mecanismes principals de la vie.
Клод Бернар. Лекции1
ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ БЛОКАДА МЕХАНИЗМОВ ХОЛОДОВОЙ СМЕРТИ. ВОЗОБНОВЛЕНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ ПРИ ГЛУБОКОЙ СМЕРТЕЛЬНО ОПАСНОЙ ГИПОТЕРМИИ
© 2007 г. К. П. Иванов
Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, Санкт-Петербург
Изучены физиологические механизмы холодовых параличей основных жизнеобеспечивающих функций во время глубокой гипотермии гомойотермного организма. Изучены причины гибели организма при глубоком охлаждении тела. Показано, что холодовые параличи и последующая гибель организма в значительной степени объясняются специфическими нарушениями ионообмена нервных клеток вегетативных центров мозга с межклеточной средой и кровью. Устранение этих нарушений с помощью методов, разработанных в лаборатории автора, позволяет на время восстановить утраченные физиологические функции организма без отогревания тела.
Наиболее распространенная и весьма популярная проблема термобиологии в прошлом и в настоящем заключается в поисках методов возвращения к жизни глубоко охлажденной живой ткани, органа или целого организма с помощью отогревания. Мы поставили перед собой другую задачу : найти способы, чтобы "заставить" целый гомойотермный организм или его изолированные органы поддерживать физиологические функции при таких низких температурах тканей, которые у гомойотермных (незимнеспящих) организмов всегда вызывают холодовой паралич физиологических функций и последующую гибель.
У человека и у подавляющего большинства незимнеспящих гомойотермных животных холодовой паралич функций терморегуляции развивается тогда, когда температура тела в прямой кишке понижается до 32-22°С; паралич легочного дыхания наступает тогда, когда температура тела падает до 26-17°С. Сердце у человека перестает выполнять свои функции, когда температура тела падает до 25-23°С [15, 25, 27], а у различных гомойотермных животных - до 15-13°С. Кожные терморецепторы у животных перестают функционировать, когда локальная температура кожи падает до 10-6°С [4], хотя некоторые терморецепторы обнаруживают очень редкую импульса-цию вплоть до температуры кожи 3-0°С [4, 16]. За исключением некоторых терморецепторов кожи, температуры развития холодовых параличей довольно далеки от точки замерзания воды и тканей, поэтому возникают предположения, что
1Изучение механизмов смерти - это один из способов выяснения механизмов жизни.
причины холодовых параличей физиологических функций и гибели гомойотермного организма связаны не с прямым физическим действием холода на живые ткани, а с нарушением определенных физиологических процессов в клетках под влиянием низкой температуры. Такие предположения лежат в основе известной гипотезы канадского физиолога Хочачки, согласно которой, первичной причиной ослабления и паралича физиологических функций при гипотермии является повышение концентрации ионов кальция в нервных клетках [17]. В норме концентрация Са2+ в цитозоле клеток составляет 10-8-10-7 М. В межклеточной жидкости она равна примерно 10-3 М. Следовательно, концентрация ионов кальция в межклеточной жидкости в тысячи раз выше, чем в клетке. Это означает, что для переноса ионов кальция из клетки в межклеточную жидкость, против столь высокого градиента концентраций, требуется выполнить весьма энергоемкую физиологическую работу. Имеются по крайней мере две важные причины, согласно которым, в холоде происходят нарушения энергетики клеток. Первая состоит в разрушении четвертичной структуры части молекул АТФаз в нейронах под влиянием холода [18], вторая причина, можно предполагать, - в том, что вследствие повышения проницаемости внутренней мембраны митохондрий для протонов уменьшается приток энергии, необходимый для непрерывного ресинтеза АТФ.
Вследствие этого энергоснабжение клетки нарушается [14, 26], и происходит замедление процесса "откачивания" ионов кальция (Са2+) из клетки в околоклеточную среду. В результате количество Са2+ в клетке увеличивается. Хорошо
известно, что повышение концентрации Са2+ в клетке до 10-6 М и выше вызывает дезорганизацию (термин Хочачки) различных видов клеточного обмена веществ, активизирует протеолити-ческие ферменты цитозоля, которые начинают разрушать живые структуры клетки [13]. В конечном счете эти явления приводят к параличу физиологических функций клетки и к ее гибели при указанных выше температурах, которые еще достаточно далеки от точки замерзания воды и живых тканей. В таком случае можно было бы ожидать, что после полного или частичного устранения холодовых нарушений ионообмена клетки произойдет восстановление физиологических функций, парализованных холодом. Однако конкретных данных, подтверждающих гипотезу Хочачки [17] и данное предположение, в научной литературе нам найти не удалось, поэтому мы попытались проверить справедливость данной гипотезы экспериментально. Чтобы предупредить предполагаемое накопление Са2+ в клетках, охлаждаемым животным в кровь вводили ЭДТА (эти-лендиаминтетраацетат). ЭДТА в малых дозах нетоксичен. В воде и в биологических жидкостях это вещество связывает Са2+, образуя комплексное соединение. Реакция идет в отношении моль на моль. ЭДТА известно в медицине и применяется для лечения патологического обызвествления тканей. Мы рассчитали дозу ЭДТА так, чтобы после введения ее в кровь животному физиологическая концентрация Са2+ в крови уменьшилась на 25-30%. Предполагалось, что соответствующее уменьшение концентрации Са2+ произойдет и в межклеточной жидкости в результате быстрого обмена ионами между кровью и межклеточной средой. Уменьшение очень большого градиента концентраций Са2+ между цитозолем клетки и межклеточной жидкостью, как мы полагали, снизит энергетические расходы по выведению избытка Са2+ из нервных клеток и нормализует обмен Са2+ между клеткой, межклеточной средой и кровью. Таким способом в лаборатории терморегуляции и биоэнергетики института физиологии им. И.П. Павлова РАН нам впервые в более чем столетней истории изучения гипотермии удалось возобновить указанные выше функции после их холодового паралича без отогревания тела. Наиболее интересный пример такого рода представляют терморецепторы. Так, например, импульса-ция холодовых кожных терморецепторов кролика, как отмечено выше, полностью прекращается при локальном охлаждении кожи до температуры 10-0°С (у разных исследованных нами терморецепторов прекращение импульсации происходило при различной температуре в этом температурном диапазоне). Через 3-8 мин после введения в кровь животным заранее рассчитанной дозы ЭДТА частота импульсации рецепторов восстанавливалась до нормы т.е. от нуля до 10-15 Гц без
отогревания кожи [3, 20, 21]. Другой пример. При понижении температуры тела крыс в прямой кишке до 21-22°С полностью прекращались хо-лодовая мышечная дрожь и терморегуляционный мышечный тонус. Через несколько минут после введения в кровь определенной дозы ЭДТА холо-довая мышечная дрожь и терморегуляционный мышечный тонус восстанавливались. При понижении температуры тела крыс до 19-20°С происходило резкое уменьшение частоты и амплитуды дыхательных движений. При температуре тела 17.5-18.5°С оставались лишь очень слабые, редкие, неритмичные дыхательные движения. В ряде опытов при этой температуре тела они исчезали совсем. Через 8-12 мин после введения в кровь ЭДТА частота и амплитуда дыхательных движений довольно резко возрастали при той же или еще более низкой температуре тела (медленное охлаждение тела продолжалось непрерывно). Такое возобновление указанных функций носило временный характер. Через 10-15 мин после достижения пика активности происходило их постепенное торможение. Повторное введение ЭДТА снова интенсифицировало указанные функции без отогревания даже при еще более низкой температуре тела. Подробное описание этих фактов, результаты статистической обработки числового материала, описание методики опытов, данные о дозах препаратов представлены в целом ряде наших статей и обзоров, опубликованных в период от 1995 до 2002 г. на русском и английском языках [3, 5, 20, 21-24].
Эти работы позволили нам сделать вывод, что после холодового паралича физиологических функций они могут быть восстановлены без отогревания тела. С точки зрения фундаментальных проблем термобиологии, эти факты существенно расширяют имеющиеся знания о нижней температурной границе жизни. Они имеют важное значение для медицины, так как могут повысить эффективность клинических методов реанимации при смертельно опасной эксидентальной гипотермии у человека. Вот почему после завершения наших первых разработок и публикации соответствующих материалов мы продолжили наши исследования и в течение последних 5 лет получили более точные численные данные о роли ионообмена для холодовой резистентности организма и решили ряд новых задач в этой, не совсем обычной, области физиологии.
В указанном периоде были усовершенствованы методы определения концентрации Са2+ в биологических жидкостях с помощью специальных миниатюрных кальцийселективных электродов (изготовленных на кафедре физической химии санкт-петербургского университета). Были получены более точные, по сравнению с предыдущими измерениями, данные об изменениях концентрации Са2+ в крови при холодовом угнетении фи-
Таблица 1. Изменения температуры тела, частоты и амплитуды дыхательных движений, частоты сокращений сердца, суммарной величины электрической активности мышц ^ мкВ сек) во время холодовой дрожи и терморегуляционного тонуса, концентрации Са2+ в крови крыс до и после введения им в кровь ЭДТА (п = 10)
Этап опыта Температура °С в гесШт Частота дыхания в минуту Амплитуда дыхательных движений, мм Частота сокращений сердца в минуту Электрическая активность мышц, усл.ед./мин Концентрация Са2+ в крови, ммоль/л
До охлаждения 37.9 ± 0.3 88 ± 7 (1) 25 ± 2 (2) 438 ± 12 1028 ± 55 (3) 1.02 ± 0.01 (4)
При максимальной 31.4 ± 0.4 81 ± 8 (5) 26 ± 2 (6) 312 ± 10 2763 ± 168 (7) 1.07 ± 0.02 (8)
электр. акт. мышц 3-7
<0.001
До 1-го введения 25.7 ± 0.6
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.