Подавляющему большинству организмов на Земле для нормальной жизнедеятельности необходим кислород. Несмотря на эту общую потребность, разные существа используют разные методы его получения, которые часто зависят от среды их обитания. Очевидный пример это рыбы, способные дышать под водой. Но даже в неводной среде условия атмосферы могут сильно отличаться, от чего некоторые организмы, будучи разными видами из общего рода/семейства, обладают разными системами получения кислорода. Однако между морскими и сухопутными обитателями имеются некоторые общие черты. Так ученые из Токийского медико-стоматологического университета выяснили, что млекопитающие способны дышать кишечником, как это умеют морские огурцы или пресноводные вьюны. Как именно происходит дыхание через кишечник, насколько эффективна такая система доставки кислорода, и как полученные знания можно применить для помощи пациентам с дыхательной недостаточностью? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Стоит отметить, что водоем водоему рознь. Условия в океане отличаются от условий в реке или озере, и дело даже не в солености воды, но и в кислородной насыщенности. Соленая вода содержит меньше кислорода, чем пресная: на поверхности концентрация составляет примерно 9 мг/л возле полюсов и 4 мг/л возле экватора. И это не учитывая изменения концентрации в зависимости от глубины, сезона года и даже от времени суток.
Схема распределения растворенного кислорода на поверхности океанов.
Многие факторы, влияющие на уровень кислорода в воде, общие для соленых и пресных водоемов. Любой пресноводный водоем (с достаточной глубиной) можно разделить на несколько слоев: эпилимнион, металимнион, гиполимнион и монимолимнион.
Схема стратификации (разделения на слои) озера (слева) и океана (справа).
Эпилимнион и металимнион разделены термоклином, участком глубины, где температура воды начинает постепенно снижаться. Металимнион и гиполимнион разделены хемоклином, где начинаются определенные изменения в химическом составе воды.
Океаны, в отличие от озер, разделяются на слои как вертикально (по глубине толщи воды), так и горизонтально (рельеф). К вертикальным слоям относятся: эпипелагический, мезопелагический, батипелагический, абиссопелагический и хадальпелагический.
Если не вдаваться в подробности, то и в пресных, и в соленых водоемах разделение на слои обусловлено воздействием солнечного света и контактом с атмосферой. Верхний слой любого водоема всегда получает максимум солнечного света и, естественно, единственный, контактирующий с атмосферой. Конечно, не стоит исключать и промежуточные слои (термоклин и хемоклин), которые в океанах вообще могут быть вертикальными (больше информации о растворенном кислороде можно найти тут).
Уровни требуемой концентрации кислорода для разных видов водных обитателей: пресные водоемы (слева) и океаны (справа).
Зная то, что концентрация кислорода в водоемах различна в зависимости от глубины, становится ясно, что организмы, обитающие на разных глубинах, нуждаются в разных уровнях кислорода в воде. Однако в некоторых случаях помимо классического дыхания существо в ходе эволюции приобретает альтернативный или вспомогательный метод получения кислорода, дабы лучше адаптироваться к существованию в среде, где его крайне мало.
Например, вьюны (Misgumus anguillicandatus), морские огурцы, род сомообразных Corydoras и даже пауки вида Tetragnatha praedonia для дыхания используют постериальный (задний) кишечник. Вполне ожидаемо, что ученые, узнав об этом, захотели выяснить, способны ли на такое млекопитающие, в том числе и люди. В 1950-х и 1960-х годах проводилось немало исследований в этом направлении, однако их результаты были мягко говоря спорными, а порой и вовсе ошибочными. Возможно, это связано с тем, что изучалось дыхание посредством верхних отделов кишечника.
Если же обратить внимание на прямую кишку человека (не думал, что использую подобную формулировку), но можно увидеть, что она содержит тонкий слой слизистой, содержащей большое число мелких сосудов, связанных с основным кровотоком организма. Следовательно, лекарственные препараты, вводимые ректально, крайне быстро проникают в кровоток. Имея в своем распоряжении эти факты авторы рассматриваемого нами сегодня труда решили проверить, можно ли реализовать газообмен через постериальный кишечник у млекопитающих, и какой эффект он окажет в случае дыхательной недостаточности.
Результаты исследования
Первым делом необходимо было детально изучить организм, который точно способен дышать (т.е. получать кислород из окружающей среды) с помощью кишечника. Одним из таких организмов является, как мы уже знаем, вьюн.
Изображение 1
У вьюна задняя часть кишечника состоит из очень тонкого эпителиального слоя, обильных капиллярных сосудов и эритроцитов, которые в условиях обширной гипоксии обеспечивают получение кислорода (O2). Была проведена численная оценка газообменной функции стенок кишечника. Механическое удаление слизистой увеличило уровень растворенного O2 в нижней полой вене* на 13.6 5.66 мм рт. ст. (1A-1C).
Нижняя полая вена* большая вена, открывающаяся в правое предсердие и собирающая венозную кровь от стенок брюшной полости, парных органов брюшной полости и нижней части тела.Количественный анализ ОТ-ПЦР (полимеразная цепная реакция с обратной транскрипцией) показал, что после умеренного или сильного стирания слизистой гены Vegfa (связан с васкуляризацией) и Anxa1 (связан с воспалением слизистой), значительно увеличились в кишечнике мышей, как и в кишечнике вьюна.
Из этого следует, что механическое удаление слизистой оболочки значительно облегчает энтеральную вентиляцию газов через задний проход (g-EVA от gas enteral ventilation via anus), т.е. газообмен через дистальный отдел кишечника.
Ученые отмечают, что слизистая оболочка кишечного эпителия представляет собой анаэробную среду с PO2 < 10 мм рт. ст. и реагирует на гипоксическую стимуляцию. Для оценки изменений локальной тканевой гипоксии было проведено иммунохимическое окрашивание кишечника мышей с помощью Hypoxyprobe-1. Подопытные были подвержены гипоксии (FiO2 = 0.10, т.е. фракция кислорода во вдыхаемом воздухе) с или без g-EVA.
При отсутствии g-EVA у мышей без гипоксии (контрольная группа) наблюдалось окрашивание клекот (гипоксические клетки) только в эпителии слизистой оболочки. Но при гипоксии количество окрашенных клеток увеличилось и распределилось по слизистой, подслизистой и по соединительных тканях (1D). У мышей с g-EVA уровень окрашенных клеток, как и у контрольной группы, сохранялся на достаточно низком уровне.
Ученые также проверили, обладает ли g-EVA системным оксигенационным действием, т.е. может ли этот метод применяться в терапевтических целях. Контрольная группа с летальной гипоксией (FiO2 = 0.08) показала выживаемость 0% с медианой выживаемости < 700 секунд (около 11 минут). Группа с g-EVA и интактным кишечником показали среднюю выживаемость 1127 секунд (чуть больше 18 минут), а группа с g-EVA после удаления слизистой показала выживаемость 75% спустя 50 минут (1E). Также было отмечено, что парциальное давление O2 в нижней полой вене у группы с g-EVA было ощутимо выше, чем у контрольной группы. Уровни венозного давления O2 для разных групп составляли (1F): контрольная 31.6 7.44; g-EVA + интактная слизистая 32.9 10.6; g-EVA + удаление слизистой 40.3 9.57 мм рт. ст. Венозный pH, венозное давление углекислого газа (CO2) и другие смежные показатели практически не отличались между всеми группами (1G).
Парциальное артериальное давление O2 в левом желудочке сердца при гипоксической ингаляции было выше в группе с абразивным (обработка слизистой) g-EVA, чем в группе без обработки: 40.0 2.94 и 63.3 6.94 мм рт. ст. соответственно (FiO2 = 0.10; 1I).
Из этих показателей следует, что вентиляция посредством g-EVA была эффективной для системной оксигенации и снижения воздействия летальной гипоксии.
Несмотря на успешность применения данной методики, ученые отмечают, что ее можно улучшить. В частности изменив форму вводимого кислорода, так как в виде газа его использование крайне ограничено, особенно в случае тяжелобольных пациентов.
В качестве альтернативы было предложено использовать оксигенированный перфтордекалин (PFD от perfluorodecalin) жидкости, которая обладает замечательной адсорбционной способностью к O2 и CO2. С ее помощью был создан вариант EVA на жидкостной основе (l-EVA от liquid-based EVA), который послужит заменой g-EVA на газовой основе.
Изображение 2
В результате был создан PFD, обогащенный O2, который далее в объеме 1 мл на особь вводился ректально трестируемым мышам (2A), размещенным в камерах с пониженным содержанием кислорода в воздухе (10%). Среднее давление O2 в PFD составило 438 19.9 мм рт. ст.
В ходе наблюдений было установлено, что применение l-EVA (т.е. жидкости, обогащенной кислородом) значительно снижало симптомы гипоксии (2B). Дальнейший мониторинг SpO2 мышей, подверженных гипоксической вентиляции (FiO2 = 0.10), показал, что снижение эффектов гипоксии продолжается в течение 60 минут после использования l-EVA (2C).
В условиях комнатной атмосферы (т.е. без применения искусственной вентиляции легких) давление O2 в нижней полой вене было у мышей из группы с l-EVA было значительно выше, чем у контрольной группы. Разница в давлении между этими группами составила 9.40 3.65 мм рт. ст. (2D). При этом венозный pH оставался одинаковым (2E), а венозное давление CO2, избыток оснований* и ионы бикарбоната показывали тенденции к снижению (2F).
Избыток оснований* количество кислоты, необходимое для восстановления нормального pH литра крови при PaCO2 40 мм рт. ст.Парциальное давление O2 в левом желудочке сердца также было значительно выше в группе l-EVA, чем в контрольной группе даже спустя 60 минут. А спустя 120 минут после применения l-EVA наблюдалась максимальная разница в 23.8 3.11 мм рт. ст. Сравнение парциального давления O2 в желудочке сердца мышей из группы g-EVA (газовая форма) и из группы l-EVA (жидкостная форма) показал схожие результаты. Это указывает на то, что l-EVA может полноценно применяться в интактном кишечнике для восстановления оксигенации.
На следующем этапе исследования ученые выполнили проверку эффективности терапевтических свойств метода l-EVA на более крупных организмах (свиньи) в условиях нейтральной гиповентиляции (скорость вентиляции: 56 раз/мин).
Изображение 3
Далее был выполнен анализ SpO2 и газов крови после многократного интраректального введения O2-PFD (3A и 3B). После введения 400 мл O2-PFD уровни SpO2 и PaO2 увеличились на 15% (с 66.6% 24.1% до 81.8% 11.2%), т.е. на 13 мм рт. ст. (с 57.2 13.5 до 70,8 6.22 мм рт. ст.) (3C и 3D). Уровни pH, HCO3 и EtCO2 при этом оставались неизменными (3E, 3G и 3H). А уровень PaCO2 демонстрировал снижение с 61.5 18.8 до 54.4 10.5 мм рт. ст. (3F).
Процедура повторялась несколько раз. Это показало, что улучшения SpO2 и PaO2 за счет O2-PFD являются последовательными и воспроизводимыми (3C и 3D). Средняя стойкость улучшения SpO2 (> 5%) составила 18.7 2.31 минут на дозу O2-PFD.
В дополнение к вышеописанным тестам ученые провели анализ возможных негативных побочных эффектов применения l-EVA (в частности PFD составляющей вводимого вещества). Анализ показал, что уровень PFD находится ниже предела количественного определения (1 мг/мл). Осмотр подопытных также показал отсутствие каких-либо физиологических отклонений. Следовательно, метод l-EVA на данном этапе исследования не приводит к каким-либо побочным эффектам, однако это необходимо будет перепроверить в будущем в условиях более длительного/частого воздействия на организм.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В данном труде ученые решили узнать, могут ли млекопитающие использовать свой кишечник для получения кислорода, как это делают некоторые морские обитатели (например, морские огурцы). Как оказалось, столь необычный метод оксигенации все же возможен. Для его реализации был создан раствор O2-PFD с высоким содержанием кислорода. Ректальное введение данного раствора в организм подопытных, подверженных искусственной гипоксии, привело к значительному увеличению концентрации O2 в крови, а также к ощутимому снижению эффектов гипоксии. Если точнее, то мыши, размещенные в камере с 10% кислорода в воздухе, могли гораздо дольше чувствовать себя нормально после применения оксигенации методом l-EVA. Подобные результаты наблюдались и у более крупных животных (свиней).
Результаты этого исследования не говорят о том, что классические методы искусственной вентиляции в случаях дыхательной недостаточности будут заменены на l-EVA. Они показывают, что есть возможность и, главное, резон использовать l-EVA в качестве вспомогательного инструмента для получения дополнительного терапевтического эффекта.
Учитывая перспективность методики и ситуацию с COVID-19, ученые намерены незамедлительно приступить к клиническим исследованиям на людях. По их словам, в условиях пандемии стала явной проблема нехватки систем искусственной вентиляции легких (ИВЛ) во многих госпиталях. Использование l-EVA может быть крайне полезным в ситуациях, когда для пациента попросту не осталось свободных ИВЛ.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята. :)
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
