ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ФИЗИОЛОГИИ И

ПАТОЛОГИИ ДЫХАНИЯ СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РАМН

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И

СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

В.П. Колосов, В.А. Добрых,

А.Н. Одиреев, М.Т. Луценко

ДИСПЕРГАЦИОННЫЙ

И МУКОЦИЛИАРНЫЙ ТРАНСПОРТ

ПРИ БОЛЕЗНЯХ ОРГАНОВ ДЫХАНИЯ

Владивосток Дальнаука 2011 УДК 612.235:616.2 ББК 54.12 К 61 Колосов В.П., Добрых В.А., Одиреев А.Н., Луценко М.Т. Диспергационный и мукоцилиарный транспорт при болезнях органов дыхания. Монография. – Владивосток: Дальнаука, 2011. – 276 с.

В монографии изложены современные представления о сути и предназначении ключевых защитных механизмов дыхательной системы – диспергационного и мукоцилиарного транспорта в норме и при патологии органов дыхания. Представлены результаты собственного комплексного клинико-морфофункционального исследования, посвященного вопросам диагностики и значения этих транспортных систем в клинической практике. Подробно рассмотрены методы оценки диспергационного транспорта и особенности его функционирования в клинических условиях, способы коррекции процессов диспергирования при хронических неспецифических заболеваниях легких. С использованием модели больных бронхиальной астмой определены роль и место мукоцилиарной системы в достижении контроля заболевания, установлено прогностическое значение мукоцилиарной недостаточности в формировании фармакотерапевтически неконтролируемого течения астмы, научно обоснована и разработана совокупность критериев и способов диагностики мукоцилиарной недостаточности, прогнозирования контроля бронхиальной астмы. Раскрыта потенциальная возможность использования некоторых препаратов для базисной терапии астмы с целью коррекции мукоцилиарной недостаточности.

Для пульмонологов, терапевтов, врачей смежных специальностей, научных работников в области респираторной медицины.

Ил. 61, табл. 75, библ. 388.

Научный редактор: Ю.М. Перельман, д-р мед. наук, профессор.

Рецензент: С.В. Нарышкина, д-р мед. наук, профессор.

Kolosov V.P., Dobrykh V.A., Odireev A.N., Lutsenko M.T. Dispergation and mucociliary transport at respiratory diseases. – Vladivostok: Dalnauka, 2011. – 276 p.

The paper deals with the modern conception about the core of key protective mechanisms of the respiratory system, i.e. dispergation and mucociliary transport in the norm and at the pathology of respiratory apparatus. There are results of personal complex clinical and morphofunctional research devoted to the questions of diagnostics and importance of these transport systems in clinical practice. The methods of dispergation transport evaluation and peculiarities of its functioning in clinical conditions as well as the ways of dispergation processes correction at non-specific pulmonary diseases are presented in detail. Using models of patients with bronchial asthma, the role and place of mucociliary system in the achievement of the disease control are defined, the prognostic significance of mucociliary insufficiency in the formation of pharmacologically and therapeutically uncontrolled asthma clinical course is established, the total of criteria and methods of mucociliary insufficiency diagnostics and prognostication of bronchial asthma control are scientifically justified and developed. A potential of some drugs application in basic asthma therapy aimed at mucociliary insufficiency correction is shown.

The paper is for pulmonologists, general practitioners, scientists in the area of respiratory medicine.

Ill. 61, tabl. 75, bibl. 388.

Утверждено к печати решением Ученого совета Учреждения Российской академии медицинских наук Дальневосточного научного центра физиологии и патологии дыхания Сибирского отделения РАМН (№ 5 от 09.06.2011 г.) © Колосов В.П., Добрых В.А., Одиреев А.Н., Луценко М.Т., ISBN 978-5-8044-1228- © Дальнаука,

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

БА – бронхиальная астма БАЛ – бронхоальвеолярный лаваж БАЛЖ – бронхоальвеолярная лаважная жидкость БФС – бронхофиброскопия ЖЕЛ – жизненная емкость легких ИБС – ишемическая болезнь сердца ИГКС – ингаляционные глюкокортикостероиды ИАЭ – индекс активности эндобронхита ИВ – индекс воспаления КР РФП – коэффициент распределения радиофармпрепарата МОС25 – мгновенная объемная скоpость выдоха на уpовне 25% ФЖЕЛ МОС50 – мгновенная объемная скоpость выдоха на уpовне 50% ФЖЕЛ МОС75 – мгновенная объемная скоpость выдоха на уpовне 75% ФЖЕЛ МЦК – мукоцилиарный клиренс МЦН – мукоцилиарная недостаточность НРРА – неравномерность распределения радиоактивного аэрозоля ОФВ1 – объем форсированного выдоха за первую секунду ПСВ – пиковая скорость выдоха ПОС – пиковая объемная скорость выдоха ПРИА – показатель распределения ингалированного аэрозоля СГКС – системные глюкокортикостероиды ФЖЕЛ – форсированная жизненная емкость легких ХОБЛ – хроническая обструктивная болезнь легких ХПН – хроническая почечная недостаточность ХСН – хроническая сердечная недостаточность цАМФ – циклический 3,5-аденозинмонофосфат ЭГРБ – эндоскопический признак гиперреактивности бронхов

ВВЕДЕНИЕ

Болезни органов дыхания до настоящего времени представляют собой важную социально-медицинскую проблему во всем мире, поскольку по удельному весу в общей смертности населения занимают одно из ведущих мест, а экономический ущерб, наносимый обществу вледствие высокой заболеваемости и инвалидизации больных, огромен. В течение последних 25 лет общая заболеваемость болезнями органов дыхания неуклонно возрастает. Так, если 15 лет назад во всем мире насчитывалось около 155 млн. больных бронхиальной астмой (БА), то в настоящее время их число увеличилось почти вдвое, достигнув 300 млн. (GINA. Global strategy for asthma management and prevention.

Update 2009). Распространенность БА в России лишь за период с 1991 г. по 1994 г. возросла на 32,3%, а с 1998 г. по 2002 г. отмечался дальнейший рост этого показателя на 28,2%. Сейчас в нашей стране количество больных астмой приближается к 7 млн. человек, из них 1 млн. страдает тяжелой формой болезни (А.Г. Чучалин и соавт., 2004, 2005, 2007; В.Н. Цибулькина, 2005; Ф.И. Петровский, Л.М. Огородова, 2008), и на ее долю приходится до 80% расходов, связанных с лечением. Еще более удручающая картина складывается в отношении хронической обструктивной болезни легких (ХОБЛ). Как причина смертности ХОБЛ занимает четвертое место в мире в возрастной группе старше 45 лет и является единственной болезнью, при которой смертность продолжает возрастать. В США расходы на одного больного, связанные с ХОБЛ, втрое выше, чем при БА, и составляют 1522 доллара в год, а общие расходы на ХОБЛ в структуре легочных заболеваний занимают второе место после рака легких и первое место по прямым затратам, превышая прямые расходы на БА в 1,9 раза. В России этим заболеванием страдают не менее 11 млн. человек (А.Г. Чучалин, 2007;

GOLD. Global strategy for diagnosis, management, and prevention of COPD. Updated, 2010).

В столь неблагополучной ситуации у исследователей в области пульмонологии значительно возрос интерес к выявлению причинных факторов, способных приводить к неблагоприятному течению хронических заболеваний респираторной системы и влиять на развитие резистентности к терапии. Большое внимание уделяется углубленному изучению как физиологии дыхательной системы, так и патофизиологических механизмов формирования болезней органов дыхания с целью определения наиболее значимых патогенетических путей развития патологического процесса, поскольку, вооружившись такого рода новыми знаниями, можно целенаправленно осуществлять терапевтическое воздействие на его ключевые звенья.

Возможно, не случайно в последнее время в научной литературе все чаще встречается термин «секреторные заболевания», к которым относят острые и хронические бронхиты, обострения ХОБЛ, некоторые формы БА, бронхоэктатическую болезнь и т.д., поскольку все они характеризуются нарушением мукорегуляции. Во всех этих случаях, вне зависимости от характера и уровня патологического процесса в бронхолегочной системе, происходит количественное и качественное изменение секреции слизи – важного компонента защиты респираторного тракта от вредного воздействия окружающей среды (М.М. Илькович и соавт., 2009; M. Del Donno et al., 2000; B.K. Rubin, 2002).

Известно, что гомеостаз дыхательной системы обеспечивается многими физиологическими механизмами, среди которых стержневыми являются неиммунологические и иммунологические – ответственные за эффективное очищение и защиту дыхательных путей от различных патогенных агентов и продуктов метаболизма (Г.Б. Федосеев и соавт, 1984). Мукоцилиарный клиренс служит одним из важнейших и наиболее изученных неиммунологических защитных механизмов, к которым, кроме того, относятся кашель, сложная архитектоника бронхов, защитные свойства слизи (лизоцим, лактоферин, 1-антитрипсин) и сурфактанта, участвующего в выведении инородных частиц в зону действия мукоцилиарного транспорта путем создания градиента давления между альвеолами и бронхами (S.H. Randell, R.C. Boucher, 2006).

Не менее значимым физиологическим механизмом является перемещение различного рода патогенного субстрата из бронхов путем диспергирования и переноса частиц бронхоальвеолярного содержимого с потоком воздуха – диспергационный транспорт. Однако в современной литературе механизмы последнего еще недостаточно изучены, что обусловлено существующими методическими трудностями в его оценке. Необходима дальнейшая разработка и совершенствование методов, позволяющих оценивать особенности диспергационного транспорта в клинических условиях. Следует обратить внимание на те грани, которые отделяют нормальные процессы диспергирования у здоровых людей и больных хроническими неспецифическими заболеваниями легких.

Еще предстоит выяснить особенности взаимоотношений процесса диспергирования с характером патологического процесса и нарушениями вентиляционной функции легких, объемом и физическими параметрами бронхоальвеолярного содержимого. До сих пор не закончены исследования, характеризующие специфические черты нарушений процесса микродиспергирования бронхоальвеолярного содержимого при ряде заболеваний внутренних органов, способных влиять на свойства диспергационного аэрозоля, – болезнях респираторной системы, хронической сердечной и почечной недостаточности. Большой интерес вызывают исследования особенностей изменений продуктивности кашля (важного механизма диспергирования бронхолегочного содержимого) в физиологических условиях и при заболеваниях дыхательной системы. Для развития представлений о процессах диспергирования чрезвычайно необходимо изучение физических и цитоморфологических характеристик секрета бронхов в норме и при патологии, а также исследование влияния различных видов фармакотерапии на физические свойства трахеобронхиального секрета.

Следует обратить особое внимание на тот факт, что деятельность указанных выше транспортных систем имеет взаимодополняющий и часто взимосвязанный характер. Так, обладающий небольшой вязкостью и упругостью секрет удаляется из бронхов преимущественно при помощи мукоцилиарной системы, а более вязкий – кашлевым диспергационным транспортом. В то же время чрезмерно текучая слизь плохо удаляется мукоцилиарным транспортом, но легко диспергируется, формируя диспергационный аэрозоль (П.П. Запевалов, 1982; Е.Л. Амелина и соавт., 2006). Следовательно, мукоцилиарный транспорт эффективен только в определенном диапазоне физических свойств бронхолегочного содержимого. Если свойства субстрата выходят за эти пределы, то основным механизмом его выведения становится диспергационный транспорт. В свою очередь мукоцилиарная транспортная система принимает активное участие в оптимизации продуктивности кашля путем выведения бронхиальной слизи в проксимальные отделы бронхов в область туссогенных зон.

Большое количество исследований мукоцилиарного клиренса выполнено при заболеваниях, сопровождающихся генетически детерминированной первичной цилиарной дискинезией, при муковисцидозе, хроническом бронхите и ХОБЛ (В.А. Герасин и соавт., 1989; Б.И. Гельцер и соавт., 1990, 1991, 1994;

Н.А. Дидковский и соавт., 1992; А.Г. Черменский и соавт., 2001; А.Н. Кокосов, 2002; М.М. Илькович и соавт., 2009; J.E. Agnew et al., 1986; W.D. Bennett et al., 2001; E. Daviskas, 2002; A. Hasani et al., 2004; J.P. Ianowski et al., 2007). Значительный интерес представляет изучение мукоцилиарного клиренса при БА как важного физиологического механизма защиты структурных элементов и функции многих клеток дыхательных путей от различного рода аллергенов. В снижении эффективности бронхиального мукоцилиарного клиренса и формировании патофизиологического феномена мукоцилиарной недостаточности непосредственное участие принимают ключевые факторы патогенеза БА – аллергическое воспаление, бронхиальная гиперреактивность и ремоделирование дыхательных путей.

Появляется все больше сведений о том, что мукоцилиарная недостаточность у больных БА представляет собой клинически значимое патофизиологическое расстройство, существенно воздействующее на развитие неконтролируемого течения болезни у значительной части пациентов. Вполне обоснованным выглядит предположение, что результатом стойкой мукоцилиарной недостаточности и мукостаза может являться развитие хронического воспаления и фиброзных изменений в мелких бронхах, ослабление действия ингаляционных препаратов для базисной терапии астмы (S.H. Randell, R.C. Boucher, 2006;

E.J. Morcillo, J. Cortijo, 2006; L. Bjermer, 2007; M.A. Mall, 2008).

Вместе с тем количество клинических исследований, детально характеризующих состояние мукоцилиарной системы у больных БА, весьма немногочисленно, и большинство их довольно фрагментарно (И.И. Хелимская, 1998;

В.А. Добрых и соавт., 1999; С.В. Тришина, Н.Н. Каладзе, 2003; Б.И. Козлов, 2005; Г.И. Непомнящих и соавт., 2007; А.Н. Одиреев, 2010; D.F. Rogers, 2000, 2002; B.K. Rubin, 2002; M.C. Rose, J.A. Voynow, 2006; E.J. Morcillo, J. Cortijo, 2006; M.A. Mall, 2008; K. Izuhara et al., 2009). Остаются неясными некоторые патофизиологические механизмы формирования мукоцилиарной недостаточности у больных БА. Еще предстоит до конца выяснить значение вклада нарушений в мукоцилиарной системе в развитие резистентности пациентов к базисной терапии и формирование фармакотерапевтически неконтролируемой БА. Если роль мукоцилиарной недостаточности в достижении контроля БА значима, и это действительно так, то ограниченные сейчас для клинической пульмонологии сведения о характере нарушений мукоцилиарного клиренса у больных БА не позволяют в полной мере проводить целенаправленную патогенетичекую коррекцию мукоцилиарной недостаточности, что в итоге не может не влиять на результаты лечения пациентов и эффективность профилактических мероприятий.

До настоящего времени недостаточно разработаны диагностические подходы, направленные на раннее выявление нарушений мукоцилиарного клиренса у больных БА. Внедрение в клиническую практику простых и доступных способов диагностики мукоцилиарной недостаточности во многом способствовало бы ее своевременной коррекции еще на ранних этапах развития и существенно повысило бы эффективность терапии. Следует обратить внимание и на поиск оптимальных способов патогенетической коррекции нарушений мукоцилиарного клиренса. Все перечисленное представляется нам особенно важным еще и потому, что исполнительный комитет GINA в 2009 г. подчеркнул, что контроль БА должен основываться не только на клинических проявлениях болезни, но также на патофизиологических данных и показателях воспаления, которые могут быть независимыми предикторами будущего риска обострений и нестабильного течения астмы (повторяющихся эпизодов утраты контроля, быстрого ухудшения легочной функции, нежелательных эффектов лечения).

Мы считаем, что понимание роли мукоцилиарной недостаточности при БА может служить инструментом для решения вопроса о необходимости серьезной коррекции терапевтического вмешательства.

Настоящая монография обобщает результаты проводившихся коллективом авторов в течение многих лет клинических исследований, посвященных решению перечисленных выше вопросов*. Авторы надеются, что книга будет востребована как практическими врачами, так и исследователями в области респираторной медицины. Авторский коллектив с благодарностью примет любые доброжелательные критические замечания и пожелания, связанные с теми или иными положениями, излагаемыми на страницах книги.

Исследования, представленные в монографии, выполнены при финансовой поддержке РФФИ (грант № 10-04-91160).

РАЗДЕЛ I. ДИСПЕРГАЦИОННЫЙ ТРАНСПОРТ СОДЕРЖИМОГО

НИЖНИХ ДЫХАТЕЛЬНЫХ ПУТЕЙ ПРИ ВОСПАЛИТЕЛЬНЫХ

ЗАБОЛЕВАНИЯХ БРОНХОЛЕГОЧНОЙ СИСТЕМЫ

Глава 1. Диагностическое значение естественного диспергирования 1.1. Естественнонаучные и медицинские аспекты Способность жидкости (в том числе и биологического происхождения) к диспергированию можно отнести к разряду сложных физико-механических явлений, производных от более «простых» физических свойств – вязкости, адгезивности, упругости, поверхностной активности (П.П. Запевалов, 1982). К подобного рода относительно сложным процессам относится, например, такая характеристика жидкости как «текучесть» (E. Puchelle et al., 1985).

Процесс формирования дисперсной фазы в дисперсионной среде применительно к взаимодействию жидкости и газа – явление широко распространенное в природе (например, образование водяной пыли и брызг во время шторма).

Распыливание (дробление) жидкости широко применяется и в современной технике. Оно осуществляется, в частности, в химической и пищевой промышленности, при экстрагировании твердых веществ из жидкостей, при сушке, а также в ряде других технологических процессов (дробление пульпы в алюминиевой промышленности, охлаждение газов распыленной жидкостью в ряде аппаратов и т.д.). Равномерное распределение жидкости и экономия диспергируемого материала обеспечили успех принципа тонкого распыливания красящих веществ в строительной и других областях промышленности, при опрыскивании растений в сельском хозяйства, в медицинской практике (Л.А. Витман, 1982). Тонкое распыливание (небулизация) лекарственных средств явилось крупным шагом вперед при лечении прежде всего заболеваний респираторной системы (R.A. Brewis, 1999).

Процесс диспергирования требует затраты работы тем большей, чем выше степень измельчения и поверхностная энергия на границе измельчаемого тела с окружающей средой. Энергия, подведенная к диспергируемой жидкости, расходуется на:

1) образование новой, значительно большей поверхности дисперсной фазы и преодоление при этом сил межфазного натяжения;

2) преодоление сил вязкости при изменении форм жидкости;

3) перемещение массы дисперсной фазы и среды (П.П. Запевалов, 1982).

Затраты энергии на преодоление вязкости на 1-2 порядка меньше, чем на создание новой поверхности раздела. Причиной распада жидкостей являются неустойчивые волнообразные деформации с быстро нарастающими амплитудами. Распад жидкости зависит не от энергии вообще, а от количества энергии, приходящейся на единицу объема дисперсной фазы (Л.Я. Живайкин, Б.П. Волгин, 1961; П.П. Запевалов, 1982).

Ни теоретических расчетов, ни общих эмпирических формул для процесса отрыва частиц воздушным потоком, распада и распыливания жидкости до настоящего времени не создано. Известно, что под влиянием выходящего потока газа наступает вначале явление подвисания, потом срыв и унос жидкости (Л.Я. Живайкин, Б.П. Волгин, 1961). В потоке газа частицы под действием сил давления и трения могут разбиваться на более мелкие (Г.С. Самойлович, 1980).

Еще более сложен процесс диспергирования полимерных растворов, к которым относится большинство биологических жидкостей. При низких скоростях деформации линейных полимеров разрыв наступает только вследствие увеличения поверхностных волн, возникающих под влиянием сил поверхностного натяжения. При повышенных скоростях деформирования разрыв наступает до достижения режима течения и обусловлен превышением когезионного предела. Очень высокая скорость деформации приводит не к вязкоэластическому, а к хрупкому разрыву (Г.В. Виноградов, А.Я. Малкин, 1977). Диспергирование полимеров в вязкоэластическом состоянии сильно ограниченно, поскольку частицы в результате аутогезии легко слипаются вновь (К. Симонеску, К. Опреа, 1979). При механической деструкции не обязателен разрыв главной цепи макромолекулы. Возникают промежуточные состояния, и дальнейший разрыв связей определяется не первичным воздействием, а структурой полимера, находящегося в напряженном состоянии (П.Ю. Бутягин, 1987). Насыщенные полимерные растворы, где образуются зацепления, значительно более чувствительны к механохимическим превращениям, чем растворы разбавленные, этим облегчается деструкция полимеров, снижение их вязкости. Установлено, что деструкция полимеров зависит в большей степени от давления воздуха, чем от концентрации солей, температуры, скорости движения полимерной жидкости (А. Казале, Р. Портер, 1982). Для полидисперсных полимеров характерно, что наступающее под влиянием внешней среды диспергирование (срыв) присуще именно их высокомолекулярному компоненту, в то время как низкомолекулярный продолжает течь (Г.В. Виноградов, А.Я. Малкин, 1977). Свойства дисперРаздел I Глава 1 сионного (диспергационного) аэрозоля существенно отличаются от характеристик конденсационного аэрозоля: он обычно грубее, полидисперснее, может существовать в виде жидкой и твердой дисперсной фаз (Н.А. Фукс, 1975).

Приведенные закономерности, во всей вероятности, могут быть распространены на процессы естественного диспергирования жидкостей биологического происхождения.

Биологические и медицинские аспекты диспергирования содержимого дыхательных путей и ротоглотки исследованы чрезвычайно слабо. При изучении воздушно-капельных инфекций найдено, что выделение возбудителя из органов дыхании в окружающую среду происходит главным образом с капельками слюны, слизи и мокроты, заражающими воздух при кашле, чихании, форсированном выдохе (В.В. Влодавец, 1982; К.Г. Гапочко и соавт., 1985). Основным загрязнителем является слюна. Количество выделяемого в атмосферу инфекта зависит от содержания секрета в ротовой полости и дыхательных путях (К.Г. Гапочко и соавт., 1985). Бактериальные капли, атомизирующиеся при кашле из секрета носоглотки, неоднородны и имеют в диаметре в среднем 10 мкм, хотя в некоторых случаях – даже больше 100 мкм. При испарении остаются ядрышки капель, диаметр которых – около 2 мкм (С.С. Речменский, 1983).

Особенности диспергирования при кашле, являющемся одним из важнейших механизмов удаления патологического материала из бронхов, изучены очень мало. Но описано, как под влиянием кашлевого толчка и сопутствующей вибрации стенок трахеи или бронха происходит отрыв вязких кусочков слизи – капелек (Е.Л. Амелина и соавт., 2006).

Известно, что диспергирование инфицированного содержимого бронхов при кашле способствует диссеминации легочного туберкулеза.

Таким образом, диспергирование жидкостей газовым потоком – важная проблема в связи с большой распространенностью этого процесса в природе и технике. Медицинские аспекты естественного диспергирования содержимого дыхательных путей изучались, в основном, с точки зрении эпидемиологии воздушно-капельных инфекций.

В последние годы в связи с расширяющимся кругом исследований конденсата выдыхаемого воздуха внимание научных работников обратилось и к проблеме переноса с выдыхаемым воздухом эндогенных частиц и молекул (В.А. Добрых, 1989; I. Horvath, 2003; S.A. Кharitonov, 2004). Можно считать, что сложившаяся ситуация подготовила почву для углубленного изучения самого процесса естественного диспергирования бронхолегочного содержимого, рассматриваемого в качестве одного из важнейших механизмов трахеобронхиального и, вероятно, альвеолярного, клиренса. В результате нами (В.А. Добрых) в 1988 г. была сформулирована оригинальная концепция диспергационного транспорта содержимого нижних дыхательных путей.

1.2. Концепция диспергационного транспорта как важного естественного механизма выведения содержимого дыхательных путей Непрерывно функционирующие процессы бронхиальной и альвеолярной секреции и транссудации формируют слизистый покров дыхательной трубки, обладающей многообразными защитными свойствами: удалением ингалированных частиц, бактерий, продуктов метаболизма, антибактериальными и антивирусными качествами, защитой слизистой оболочки дыхательных путей от повреждений, связанных с колебаниями температуры и влажности воздуха (М. King et al., 1985). Закономерно, что нарушение выведения бронхолегочного содержимого является одним из основных патогенетических факторов болезней органов дыхания.

Наряду с мукоцилиарным и кашлевым механизмами транспорта, выделяют механизм двухфазного газожидкостного потока, представляющий собой зависящее от особенностей вентиляции, вязкоэластических свойств и толщины слоя жидкости экспираторное продвижение содержимого бронхов (Kim Chong et al., 1987). Этот вид транспорта, роль которого для клиники еще неизвестна, по сути, представляет собой, как и мукоцилиарный транспорт, движение в режиме течения.

При обосновании концепции диспергационного транспорта мы исходили из того, что с физической точки зрения все виды естественного перемещения бронхолегочного содержимого в бронхоальвеолярном пространстве логично разделить на перемещение в режиме течения (мукоцилиарный транспорт, удаление сурфактанта из альвеол по градиенту поверхностного давления, двухфазный газожидкостный поток) и перемещение вследствие диспергирования и переноса частиц бронхоальвеолярного содержимого с потоком воздуха – диспергационного транспорта. Нам представляется, что этот транспорт включает две основные разновидности: постоянное микродиспергирование при дыхании (генерирование эндогенного диспергационного аэрозоля) и периодическое (аварийное) макродиспергирование при кашле.

Коренные отличия диспергационного транспорта от транспорта в режиме течения, определяющие его специфичность, состоят в том, что бронхолегочное содержимое выводится не постепенным перемещением слизистого покрова, а дискретно, путем нарушения его непрерывности и освобождения отдельных участков бронхоальвеолярного пространства. Скорость перемещения удаляемого субстрата различается на несколько порядков: десятки метров в секунду при кашле и миллиметры в минуту – при мукоцилиарном транспорте (Г.Б. Федосеев и соавт., 1984).

Разделение механизмов транспорта на два больших класса оправдывается еще и тем, что физические свойства субстрата, определяющие их эффективность, различны: если для успешного функционирования мукоцилиарного транспорта важны прежде всего оптимальные, относительно невысокие вязкость и эластичность (Е.Л. Амелина и соавт., 2006), то для диспергирования решающее значение имеют силы межфазного натяжения, прочность и жесткость субстрата (Г.В. Виноградов, А.Я. Малкин, 1977; П.П. Запевалов, 1982).

Известное свойство полидисперсной смеси высокополимеров, когда под влиянием внешней силы диспергируется (срывается) прежде всего высокомолекулярный компонент, а низкомолекулярный продолжает течь (Г.В. Виноградов, А.Я. Малкин, 1977), служит основой понимания того, каким видом транспорта преимущественно удаляется содержимое дыхательных путей в зависимости от его вязкоупругих свойств: относительно низкомолекулярный и, следовательно, обладающий небольшой вязкостью и упругостью субстрат удаляется, главным образом, транспортом в режиме течения (мукоцилиарным), высокомолекулярный (вязкоэластичный) – кашлевым диспергационным транспортом. В то же время чрезмерно текучая низкомолекулярная жидкость со слабыми свойствами межфазного натяжения плохо удаляется мукоцилиарным транспортом, но легко диспергируется, формируя диспергационный аэрозоль (П.П. Запевалов, 1982; Е.Л. Амелина и соавт., 2006). Следовательно, мукоцилиарный транспорт и, вероятно, силы двухфазного газожидкостного потока эффективны только в определенном диапазоне физических свойств бронхолегочного содержимого. Если свойства субстрата выходят за эти пределы, то основным механизмом его выведения становится диспергационный транспорт. Подразделение последнего на две разновидности вызвано еще и их различными временными характеристиками: с одной стороны, выявленными фактами постоянства выведения небольшого количества эндогенных нелетучих веществ с выдыхаемым воздухом (S.A. Кharitonov, 2004), с другой, – непостоянством и периодичностью функционирования кашлевого клиренса. Кроме того, существенно различается и объем выводимого биосубстрата, с многократным преобладанием продуктивности кашлевого клиренса.

Механизм образования и выведения при дыхании эндогенного диспергационного аэрозоля неясен (I. Horvath, 2003). Учитывая существование альвеолярного клиренса, можно представить, что генерация аэрозоля при низких скоростях воздушного потока в условиях спокойного дыхания возможна при расправлении и вибрации стенок альвеол на вдохе, – принимая во внимание, что частота их колебаний достигает нескольких тысяч Гц, а содержимое альвеол (сурфактант) обладает высокими поверхностно активными свойствами, способствующими диспергированию (Е.Л. Амелина и соавт., 2006).

Методы изучения особенностей транспорта бронхолегочного содержимого разработаны в основном применительно к мукоцилиарному транспорту, хотя в клинической практике эти процессы, как правило, не исследуются из-за отсутствия доступных методик. Попытки изучения других разновидностей транспорта бронхолегочного содержимого вообще единичны.

Существование этого «слабого места» в обследовании больных пульмонологического профиля, безусловно, отрицательно сказывается на эффективности лечебных мероприятий, влияющих на свойства содержимого дыхательных путей.

На основании выполненных нами исследований мы предлагаем комплекс новых методов, позволяющих оценивать особенности диспергационного транспорта в клинических условиях.

Способы изучения диспергационного транспорта в клинике.

1. Микродиспергирование при дыхании:

а) подсчет количества экспирируемых эндогенных нелетучих веществ;

б) определение физических и химических свойств эндогенных нелетучих веществ;

в) характеристика экспирируемого эндогенного аэрозоля.

2. Макродиспергирование при кашле:

а) определение продуктивности кашля;

б) анализ физических, химических, цитологических и других свойств диспергируемых макрочастиц.

Предлагаемые методы исследования выделены среди других возможных в связи с их относительной простотой и в то же время достаточной чувствительностью и информативностью.

Новизна проблемы, физическая неоднородность, имманентно присущая содержимому дыхательных путей, отсутствие универсальных теорий и формул ского сопоставления разных аспектов диспергирования с диагнозом и особенностями клиники заболеваний бронхолегочной системы.

Очевидно, что диспергирование содержимого дыхательных путей у больных с патологией бронхолегочной системы зависит прежде всего от объемноскоростных характеристик воздушного потока и свойств содержимого: толщины слоя, физических параметров. Практически это означает, что вероятные отклонения процессов диспергирования от нормы могут произойти при изменении количества субстрата и его физических характеристик.

Такая ситуация возникает в бронхиальном дереве при наличии эндобронхита и дискринических отклонений. Для альвеол существенное нарушение генерирования аэрозоля возможно с этой точки зрения, например, при отеке легкого, пневмонии, альвеолите, легочном альвеолярном протеинозе.

Глава 2. Методы исследования диспергационного транспорта В этот раздел мы включили комплекс по большей части оригинальных методик исследования, разработанных в своей основе В.А. Добрых в 80-90-х годах прошлого века и усовершенствованных совместно с сотрудниками возглавляемой им кафедры в последующие годы.

2.1. Исследование микродиспергационного транспорта 2.1.1. Оценка характеристик экспирируемого эндогенного аэрозоля Экспирация эндогенных нелетучих веществ реализуется, очевидно, вследствие связанного с дыхательными маневрами диспергирования бронхоальвеолярного содержимого и формирования дисперсионного аэрозоля. В процессе экспирации частицы аэрозоля, находящиеся в дыхательных путях в условиях пересыщения водного пара, при выдохе в результате конденсации обводняются – формируется крупнодисперсный конденсационный аэрозоль (Н.А.

Фукс, 1975). Параметры экспирируемого эндогенного аэрозоля, по имеющимся у нас данным, практически еще не изучались. По-видимому, D.M. Hoenig в 1983 г. впервые обнаружил ненормально высокое содержание аэрозоля в воздухе, выдыхаемом курильщиками.

В своих исследованиях мы, вероятно, впервые изучали экспирацию эндогенного аэрозоля здоровыми людьми, а также больными ХОБЛ и БА.

Исследование экспирируемых аэрозольных частиц проводили с помощью разработанного и изготовленного в НИИ экспериментальной метеорологии (г. Обнинск) аэрозольного фотоэлектрического лазерного счетчика и анализатора «Сафлаз» и анализатора импульсов «Аист». Анализировали частицы диаметром в диапазоне 0,1-10 мкм, с автоматической регистрацией их в зависимости от размера по 15 каналам. Калибровку порогов анализатора в шкале размеров осуществляли с помощью частиц латекса. Эндогенными считали частицы, экспирируемые при спокойном выдохе после предшествующего однократного максимально полного выдоха и последующего вдоха воздуха, очищенного от пылевых частиц. Очистку осуществляли с помощью многослойного фильтра из ткани Петрянова и специального аэрозольного фильтра.

При изучении жидкокапельного аэрозоля принимали во внимание пересыщение паров воды вдыхаемого воздуха при комнатной температуре, значительно обводняющее и укрупняющее аэрозольные частицы. По этой причине выдыхаемый воздух разводили очищенным и осушенным с помощью хлорида кальция атмосферным воздухом, примерно в 1,5 раза снижая пересыщение пара. Абсолютного очищения от пыли примешиваемого атмосферного воздуха добиться не удалось, однако содержание в нем пылевых частиц было значительно снижено и учитывалось при расчетах.

В другой серии исследований выдыхаемый воздух с помощью специальных приспособлений смешивали с осушенным и полностью очищенным от аэрозольных частиц атмосферным воздухом в такой пропорции, что относительная влажность смеси не превышала 70%. Такой уровень влажности приводит к практически мгновенному испарению воды с поверхности аэрозольных частиц (С.С. Речменский, 1983), в результате аэрозоль в этой серии наблюдений был представлен нелетучей фракцией – «твердый» аэрозоль.

Основываясь на данных осаждения аэрозоля в дыхательных путях (М. Липпман, Б. Альтшуллер, 1980), приняли среднюю осаждаемость частиц в наших исследованиях за 20%. Истинные значения эндогенного аэрозоля и эндогенных нелетучих веществ находили, вычитая из каждого полученного значения величину, равную 80% среднего показателя контроля.

Применяя специальный технический аэрозольный фильтр в сочетании с использованием фильтра из ткани Петрянова, мы добились практически полного очищения вдыхаемого воздуха от частиц, превышающих 0,1 мкм. После этого с помощью счетчика аэрозолей и анализатора импульсов определяли содержание твердых частиц выдыхаемого эндогенного аэрозоля.

При изучении экспирации «твердого» аэрозоля и у здоровых людей, и при патологии выявилась характерная особенность: частицы выделялись не с каждым дыхательным циклом, а примерно с каждым вторым-третьим выдохом, т.е. выявилась определенная дискретность и неритмичность процесса естественного микродиспергирования бронхоальвеолярного содержимого.

Исследования, выполненные у 46 некурящих практически здоровых людей обоего пола, показали, что концентрация экспирируемого жидкокапельного аэрозоля составляет 76,0±13,0106 в 1 м3 воздуха, а частиц твердого аэрозоля, как и предполагалось, значительно меньше – 9,1±1,8106 в 1 м3 воздуха (21 обследованный).

Характер распределения диаметров частиц во всех случаях приближался к экспоненциальному или степенному (резкое преобладание мелкодисперсных частиц). Помимо распределения диаметров, оценивали и распределение объемов частиц, обнаружив существенные различия этих показателей (рис. 1).

Рис. 1. Характер распределения диаметра и объема частиц Примечание: по оси абсцисс – диаметр частиц в 1102 мкм; по оси ординат – их доля в общей совокупности.

2.1.2. Экспирация эндогенных нелетучих веществ как количественный показатель микродиспергационного транспорта В последние годы исследователями в области респираторной медицины разных стран все больше внимания уделяется изучению компонентов конденсата выдыхаемого воздуха. Данный метод исследования является неинвазивным, экономичным, удобным и безопасным (Э.Х. Анаев, А.Г. Чучалин, 2006;

И.А. Климанов и соавт., 2006; R.M. Effors et al., 2002, 2004). Интерес к изучению конденсата растет также и потому, что на сегодняшний день это единственный метод, лишенный способности влиять на характеристики собираемых образцов. Для его получения практически нет противопоказаний. Конденсат выдыхаемого воздуха содержит около 200 летучих соединений и нелетучие макромолекулярные соединения, включая протеины, липиды, мукополисахаридные комплексы и нуклеопротеиды.

Широкое использование конденсата выдыхаемого воздуха в качестве биосубстрата для диагностических исследований при различных заболеваниях делает достаточно актуальной задачу сравнительной оценки суммарного количества эндогенных нелетучих веществ в конденсате при различных нозологиях и синдромах в клинике внутренних болезней. Такое исследование не только позволит определить особенности функционирования микродиспергационного транспорта в условиях разной патологии, но и окажется полезным с сугубо практической стороны, облегчая исследователям правильное толкование результатов изучения отдельных нелетучих компонентов конденсата выдыхаемого воздуха при этих заболеваниях.

Таким образом, сравнительное исследование суммарных объемов эндогенных нелетучих веществ и их концентрации в конденсате выдыхаемого воздуха имеет как преимущественно теоретический (функционирование механизма микродиспергационного транспорта в физиологических условиях и при патологии), так и чисто прикладной интерес (более точные расчет и интерпретация экспирации отдельных нелетучих химических ингредиентов, присутствующих в конденсате выдыхаемого воздуха).

В проведенном нами исследовании (В.А. Добрых, И.Е. Мун, 2005) сбор конденсата выдыхаемого воздуха осуществляли с помощью портативного устройства (конденсатора), конструктивно близкого системам, применявшимся в исследованиях других авторов (Г.И. Сидоренко и соавт., 1984; В.Н. Исакова, 1997). Устройство представляло собой стеклянную колбу объемом 260 мл, охлаждаемую льдом до 0-3 градусов, что, как показали наши специальные исследования, достаточно для практически полного сбора эндогенных нелетучих веществ (В.А. Добрых, 1989). Устройство включало в себя клапанную систему с одноразовыми фильтрами и собственно конденсатор паров. Система фильтров обеспечивала очищение воздуха от экзогенных летучих примесей, содержащихся во вдыхаемом воздухе, роль которых в загрязнении конденсата выдыхаемого воздуха, как показали наши исследования, весьма существенна (В.А. Добрых, 1989; И.Е. Мун, 2007).

В процессе сбора конденсата выдыхаемого воздуха осуществлялись меры по предотвращению попадания в конденсатор содержимого полости рта (предварительное прополаскивание рта и глотки дистиллированной водой, строгое удерживание мундштука в определенном положении, сглатывание слюны).

Сбор конденсата выдыхаемого воздуха длился 10 мин., что позволяло получать в среднем 0,8 мл конденсата. Для подсчета эндогенных нелетучих веществ полученный конденсат помещали на предметное стекло и испаряли при комнатной температуре, предохраняя с помощью специального экрана от попадания пылевых частиц, содержащихся в воздухе. Площадь сухого остатка, окрашенного по способу Романовского-Гимза, определяли при микроскопировании частиц нелетучих веществ в 12 полях зрения на предметном стекле. Основываясь на планиметрическом «методе полей» по А.А. Глаголеву, производили расчет площади, занятой эногенными нелетучими веществами (Г.Г. АвГлава 2 Раздел I тандилов, 1990). Используя разработанную на образцах плазмы крови математическую модель соотношения площадь/объем сухого остатка образца, рассчитывали объем и с учетом количества конденсата выдыхаемого воздуха – концентрацию эндогенных нелетучих веществ.

Статистическая обработка результатов осуществлялась с помощью программы Excel. Рассчитывали средние величины, среднеквадратичные отклонения. Достоверность различий средних величин определяли с помощью t-критерия Стьюдента. Парные корреляционные сопоставления проводились с использованием методов Пирсона и Спирмена.

2.1.3. Анализ методических проблем исследования конденсата выдыхаемого воздуха в контексте изучения процессов микродиспергирования* Изучение конденсата выдыхаемого воздуха как биосубстрата для диагностических исследований в пульмонологии привлекает внимание научных работников и практических врачей по многим причинам (возможность оценки общих и органных, прежде всего респираторных, физиологических и метаболических отклонений, неинвазивность получения, необременительность процедуры для пациента и медицинского работника, возможность частых повторных исследований и др. (Э.Х. Анаев, А.Г. Чучалин, 2006). Увеличение интереса к изучению конденсата отражается в нарастающем с 80-х гг. прошлого века потоке публикаций, причем в последние годы эта тенденция стала характерной и для зарубежной медицинской печати. В частности, в докладе рабочей группы GOLD пересмотра 2004 г. подтверждена перспективность исследования веществ, выделяющихся с выдыхаемым воздухом, для изучения ХОБЛ. В связи с этой тенденцией на мировом рынке медицинского оборудования в последние годы появились серийно изготовленные специальные устройства для сбора конденсата (S.A. Kharitonov, 2004).

Серьезный сдерживающий момент внедрения исследования конденсата выдыхаемого воздуха в широкую клиническую практику – отсутствие общепринятых стандартов его сбора и изучения содержащихся в нем веществ и клеточных структур (Э.Х. Анаев и соавт, 2006; S.A. Kharitonov, 2004). Необходимость стандартизации получения и исследования конденсата, очевидно, требует предварительного проведения широкого круга исследований методического характера.

В соавторстве с канд. мед. наук И.Е. Мун.

Обсуждению некоторых из существующих проблем такого рода и посвящен данный раздел нашей работы.

Методика сбора конденсата в определенной степени унифицирована.

Исследователи используют охлаждаемые поглотительные устройства различной конфигурации, через которые проходит выдыхаемый воздух. Конденсируясь, пары воды, содержащие различные микропримеси, осаждаются на внутренних стенках устройства в виде капель, а затем после накопления жидкость собирается в специальную емкость (Г.И. Сидоренко и соавт, 1984; В.А. Добрых, 1989; А.В. Емельянов и соавт, 2000; М.Ю. Хасина, 2004). В процессе сбора конденсата осуществляются меры по предотвращению попадания в поглотитель слюны – прополаскивание полости рта дистилированной водой, использование специального сборника слюны, строгая фиксация положения мундштука во рту (В.А. Добрых, 1989; А.В. Емельянов и соавт., 2000). Имеются данные о влиянии на объем конденсата параметров вентиляции и температуры соприкасающейся с выдыхаемым воздухом стенки поглотителя, дыхания через нос и использования носового зажима (В.А. Добрых, 1989; А.В. Емельянов и соавт., 2000; И.Е. Мун, 2007; С. Gessner et al., 2001). В то же время еще не определена возможная роль в накоплении конденсата и фиксации находящихся в нем примесей объема и геометрии внутреннего пространства поглотителя, сопротивления дыханию, так называемых аэрозольных факторов, электрического заряда газовых ионов и др. (М. Липпман, Б. Альтшуллер, 1980). Нам представляется, что эти вопросы теоретической и прикладной респираторной гидрологии могут иметь отношение к некоторым характеристикам получаемого конденсата, но, вероятно, не являются существенно значимыми.

К сожалению, в ряде известных нам работ до сих пор не учитывается важный модифицирущий результаты исследования конденсата фактор: пылевые и газовые примеси, содержащиеся во вдыхаемом воздухе. Хорошо известно, что в воздухе обычного непроизводственного помещения (учебного класса, лаборатории, больничной палаты) содержится большое количество летучих и нелетучих веществ различного происхождения, в том числе разнообразные органические соединения, микробные и вирусные частицы. В воздухе лабораторного помещения частицы диаметром до 2,0 мкм составляют по нашим данным 99,8% всех пылевых частиц (В.А. Добрых, 1989). Известно также, что 80% частиц такого размера, попадающих в дыхательные пути, выделяется при выдохе (М. Липпман, Б. Альтшуллер, 1980).

Проведенная нами ранее с помощью лазерного счетчика аэрозоля «Сафлаз» и анализатора импульсов «Аист», разработанных в Обнинском НИИ экспериментальной метеорологии, сравнительная оценка концентрации частиц твердого аэрозоля диаметром 0,1-10,0 мкм в воздухе лабораторного помещения и воздухе, экспирируемом здоровыми людьми после вдыхания очищенного от пылевых частиц посредством фильтра воздуха, показала, что в атмосфере помещения концентрация таких частиц больше в 50 (!) раз – 105±2,0107 (n=12) и 2,0±0,3107 (n=15) в 1 м3 воздуха соответственно (В.А. Добрых, 1989).

С целью оценки реального влияния присутствующих в воздухе лабораторного помещения пылевых аэрозольных частиц на объем экспирируемых нелетучих веществ, содержащихся в конденсате, мы провели специальное исследование у практически здоровых некурящих людей обоего пола в возрасте 19лет. Разработанный нами метод количественного определения изучения эндогенных нелетучих веществ предполагает сбор конденсата выдыхаемого воздуха с помощью поглотителя, снабженного клапанной системой и конденсатором паров. Конденсация осуществлялась путем охлаждения поглотителя льдом.

Вдыхаемый воздух не проходил через емкость для накопления конденсата и очищался от основной части содержащихся в нем пылевых примесей фильтром, в качестве которого использовалась в одной серии исследований ткань Петрянова, в другой – специальная фильтровальная бумага. Во избежание контаминации конденсата слюной следили за тем, чтобы больной ее регулярно сглатывал и держал мундштук во рту в определенном положении. После прополаскивания рта дистиллированной водой обследуемые дышали через поглотитель в течение 10 и 25 мин. соответственно в разных сериях исследований. В контрольных исследованиях сбор конденсата осуществлялся в аналогичных условиях, но без фильтра. Полученный конденсат помещали на предметное стекло и высушивали при комнатной температуре. Сухой остаток оценивали при микрокопировании, в одной серии исследований определяя площадь и толщину сухого остатка методом последовательной перефокусировки микроскопа, в другой серии – основываясь на планиметрическом «методе полей» по А.А. Глаголеву (Г.Г. Автандилов, 1990). С учетом толщины пленки сухого остатка, в дальнейшем рассчитывался объем нелетучих веществ. Сопоставляя объемы сухого остатка после испарения конденсата, полученного при вдыхании воздуха, пропущенного через фильтр, и неочищенного у здоровых некурящих людей, мы отметили существенные различия (табл. 1).

Объем сухого остатка конденсата у здоровых некурящих людей с учетом использования фильтра для аэрозольных частиц вдыхаемого воздуха Ткань Петрянова (1-я серия исследований) Фильтровальная бумага (2-я серия исследований)