Учебник (Овсянников) - общая патофизиология Ч1

Действие электрического тока

Человек встречается с повреждающим действием переменного, постоянного электрического тока, атмосферного (молнии), высоковольтных линий электропередач. Электротравма составляет 2,5 % всех травм.

Вцелом интенсивность повреждения зависит от вида тока и его параметров, путей прохождения и реактивности организма.

Так, атмосферное электричество (молнии) имеет напряжение, исчисляемое миллионами вольт, и поэтому повреждение обычно ведет к смерти. Повреждающее действие постоянного тока связано с явлениями электролиза и накоплением на полюсах продуктов, обладающих кислыми и основными свойствами. При местном действии это проявляется в виде коагуляции (коагуляционный и колликвационный некроз). На месте повреждения формируется химический ожог. Это так называемое электрохимическое действие электрического тока.

Впромышленности и в быту человек чаще встречается с повреждающим действием переменного тока. При этом поражающий эффект зависит от ряда его параметров (напряжения, силы и частоты тока) и продолжительности повреждающего воздействия.

Воснове повреждения лежит нарушение упорядоченного движения электронов в атомах. Это делает понятным расстройства заряда мембраны клетки, функции синтеза и генерации макроэргов. Кроме того, вследствие возбуждения рецепторного аппарата важное значение в патогенезе электротравмы принадлежит рефлекторным реакциям и нарушениям функции нервной и эндокринной систем.

Известно, что электрический ток с напряжением 30-35 вольт является безопасным для человека. Электрический ток с напряжением 127-220 вольт и выше опасен для жизни, т.к. может вызвать летальный исход. Чем больше сила и время действия, тем больше повреждение: при токе силой 1 мА имеет место раздражающий эффект, 15 мА - судорожный и 100 мА - смертельный эффект. Известно, что переменный ток характеризуется частотой 50-60 Гц. Это наиболее опасная частота. При уменьшении ее повреждающее действие тока снижается.

51

Важное значение в исходе электротравмы имеет направление или путь прохождения тока. Наиболее опасные пути прохождения тока — через сердце и головной мозг. При прохождении электрического тока через сердце развивается фибрилляция или остановка сердца, а через головной мозг - остановка дыхания или сердца, вследствие поражения клеток жизненно важных центров - дыхания и сосудодвигательного.

Реактивность организма оказывает существенное влияние на исход электротравмы, что во многом определяется снижением его чувствительности и мобилизацией компенсаторно-защитных реакций. Показано уменьшение повреждающих эффектов электрического тока в состоянии сна, наркоза или резкого возбуждения. Наоборот, при недостаточности надпочечников, гиперфункции щитовидной железы, тимико-лимфатическом синдроме, перегревании, заболеваниях сер- дечно-сосудистой системы и других заболеваниях, а также голодании усиливается повреждающее действие электрического тока. Увеличивают повреждающее действие электрического тока высокая влажность и температура окружающей среды, усиленное потоотделение, уменьшение атмосферного давления.

Основные феномены повреждения электрическим током

Выделяют общее и местное действие. Общее действие переменного тока проявляется в генерализованном спазме поперечно-по- лосатой и гладкой мускулатуры, вследствие чего первоначально повышается системное артериальное давление, происходит непроизвольное мочевыделение и дефекация, сопровождающиеся судорогами, остановкой дыхания в фазе максимального выдоха. Вследствие спазма дыхательной мускулатуры и нарушения движения грудной клетки, остановки дыхания в фазе максимального выдоха человек не может позвать на помощь. Важным общим проявлением является боль, носящая крайне мучительный характер. Однако в месте вхождения и выхода тока развивается анестезия, которая, как считают, снижает повреждающий эффект. В связи с развитием фибрилляции или остановки сердца системное артериальное давление снижается. Как ни при каком другом патогенном воздействии, электротравма ча-

52

сто заканчивается развитием клинической смерти, т.е. обменные процессы могут продолжаться. В этих условиях исключительно большое значение имеют мероприятия, направленные на восстановление дыхания и ритма сердца, что может быть достигнуто проведением искусственного дыхания. Местное действие электрического тока проявляется в виде ожога (знаки тока). Как правило, это наблюдается в локальном эффекте или в месте входа и выхода тока. Особенностью их является нарушение чувствительности. Это связано с тем, что при прохождении тока образуется Джоулевая теплота. Поэтому такой ожог носит характер термического. В костной ткани в результате теплового расплавления кости и удаления фосфата кальция образуются пустоты, получившие название «жемчужные бусы».

В ряде случаев возможен механический отрыв частей тела (пальцев, кистей, конечностей), разрывы мышц, трещины костей. Как правило, это наблюдается при поражении током высокого напряжения, при котором в результате мгновенного образования большого количества тепла и механической энергии возникает эффект взрыва, а повышенное давление воздуха отбрасывает человека в сторону (К.А. Ажибаев). По интенсивности электротравмы выделяют 4 степени ее: первая - судорожное сокращение мышц, без потери сознания; вторая - судорожное сокращение мышц с потерей сознания; третья - потеря сознания, нарушение функций сердечно-сосудистой системы или дыхания; четвертая - клиническая смерть.

Таким образом, повреждающее действие электрического тока связано с рядом его эффектов - электрохимическим, электротермическим и электромеханическим. После электротравмы больные жалуются на слабость, ощущение тяжести. Объективно отмечается угнетение сознания или повышенное возбуждение.

Линии высоковольтных передач (ЛЭП) создают электрическое поле, достигающее нередко десятков киловольт/м2. Изменяя движение заряженных частиц в атомах, они оказывают неблагоприятное влияние на функцию клеток и организма в целом. Показано, что даже профессионалы, осуществляющие ремонт ЛЭП, могут находиться в зоне действия ее электрического поля (15 кВ/м2) не более 1,5 часов в

53

день, а при напряжении электрического поля 20 кВ/м2 -не более 10 мин. Допустимый уровень напряженности электрического поля в местах жилой застройки - не более 1 кВ/м2 (В.В. Энговатов).

Действие ионизирующих излучений на организм. Лучевая болезнь

Ионизирующие излучения представляют собой потоки частиц и электромагнитных квантов, образующихся в результате радиоактивного распада или ядерных реакций. В медицинской практике чаще всего встречаются такие ионизирующие излучения, как рентгеновское, гамма-излучение, потоки электронов, протонов, альфачастиц и нейтронов. Основной особенностью ионизирующих излучений является способность проникать в облучаемую среду и вызывать ионизацию. Хорошо известно, что ионизирующее излучение в дозе свыше 600 рентген вызывает гибель большинства млекопитающих и человека. Однако анализ тепловых эффектов, которые способны вызывать такие дозы ионизирующих излучений, показывает, что они сопровождаются образованием очень небольшого количества тепла, способного нагреть стакан воды всего лишь на 0,25 °С. Следовательно, действие ионизирующих излучений связано не с тепловыми эффектами, вследствие их незначительности, а с эффектами повреждения биологических структур. Как показывают современные исследования, повреждение биологических структур обусловлено не только прямыми эффектами ионизирующих излучений, но и множественными эффектами усиления повреждающего действия ионизирующего излучения, возникающего на различных уровнях (молекулярном, биохимическом, клеточном, тканевом и организменном).

Ионизирующее излучение обладает прямым и опосредованным (непрямым) действием на биологические структуры. Прямое действие заключается прежде всего в возбуждении атомов или молекул, суть которого заключается в изменении орбиты движения электрона на большую, хотя электроны и остаются под действием кулоновских сил. В результате перехода электронов на большую орбиту движения (более высокий энергетический уровень) происходит возбуждений

54

атомов и молекул, как бы увеличение их объема, что, безусловно, изменяет функцию тех структур, в состав которых они входят.

Вторым важнейшим эффектом ионизирующих излучений является их способность образовывать в биологических структурах заряженные ионы, т.е. вызывать ионизацию. При этом под влиянием ионизирующих излучений осуществляется выбивание или прием атомами электронов. Причем если электрон обладает достаточной энергией, то он сам, действуя на атомы, может вызывать ионизацию. Взаимоотношения между ионизирующей и проникающей способностью ионизирующих частиц и электромагнитных квантов не являются однонаправленными (табл. 3.1).

При проникновении квантов или частиц в биологический объект они постепенно теряют свою энергию на ионизацию, возбуждение, столкновение и поэтому проходят определенный путь. Показано, что ионизация на пути пробега совершается неравномерно. Она резко возрастает в конце пробега, составляя так называемый пик Брегга. Причем для тяжелых частиц (протонов, альфа-частиц, нейтронов) ионизация в конце пути по сравнению с начальным этапом выше в сотни раз. Этот эффект широко используется в медицине для лучевой терапии, ибо, изменяя энергию частиц, можно регулировать глубину наибольшего повреждения, например, злокачественных клеток, в определенном месте. Данный эффект находит широкое применение при лучевой терапии протонами.

55

Вбиологических объектах возможно образование различных

ионов, но особенно большое значение приобретает радиолиз воды, т.е. образование радикалов типа Н+ и ОН-. На важнейшее значение радиолиза воды указывает наблюдение, согласно которому при облучении высушенных продуктов и находящихся в растворах наибольший эффект наблюдается в последних.

Ионизирующее излучение обладает достаточно большой энергией, способной вызывать также нарушения внутримолекулярных связей, причем в участках, где эти связи наиболее слабые.

Внутримолекулярные разрывы могут носить как единичный, так

имножественный характер. Разрыв внутримолекулярных связей ведет к нарушению биологических функций. Все вышеназванные эффекты можно рассматривать как физический путь усиления повреждающего действия ионизирующего излучения.

Опосредованное действие ионизирующего излучения в первую очередь связано с высокой реактогенностью различных ионов, особенно радикалов воды. Они способны, с одной стороны, взаимодействовать с различными молекулами, вызывая их повреждение, а с другой, вступая в реакции с кислородом, образовывать перекиси, которые, участвуя в различных реакциях окисления, также вызывают повреждение различных молекул. Особенно необходимо указать на образование перекиси водорода, гипероксида (Н2О2), а также атомарного кислорода.

Врезультате взаимодействия с ненасыщенными жирными кислотами образуются липидные радиотоксины, которые представлены в виде липидных перекисей, альдегидов, кетонов, эпоксидов. Они способны оказывать токсические и повреждающие эффекты на различные компоненты клетки, особенно ее мембрану. Кроме того, из тирозина, катехоламинов, триптофана, серотонина образуются так называемые хиноидные радиотоксины.

Таким образом, опосредованное действие ионизирующего излучения заключается в образовании химических веществ типа перекисей, липидных и хиноидных радиотоксинов, которые сами обладают высокой способностью повреждать различные структуры

56

клетки. Следовательно, в результате прямых эффектов ионизирующего излучения, а также косвенных происходит повреждение нуклеиновых кислот, белков, липидов, нуклеопротеидов и других соединений. Учитывая, что липиды являются важнейшей составной частью клеточных мембран, ясно, что повреждение их ведет к повышению клеточной проницаемости. Следствием этого будут водноэлектролитные расстройства, которые возникают в клетке, нарушение ряда органелл клетки, таких, как митохондрии, что ведет к дефициту энергетического обеспечения биологических процессов клетки, а также лизосом с выходом за пределы их мембран большого количества ферментов с последующей их активацией и последующими эффектами в виде лизиса клетки.

Опосредованные эффекты необходимо рассматривать как химический или биохимический механизм усиления повреждающих эффектов ионизирующей радиации.

Эффекты повреждения радиации могут, с одной стороны, усиливаться, а с другой, ослабляться под влиянием ряда механизмов. Усиление повреждения происходит в случае увеличения интенсивности обмена, интенсивности кровоснабжения и доставки кислорода, накопления предшественников радиотоксинов. С другой стороны, повреждающие эффекты могут ослабляться накоплением перехватчиков радиотоксинов, активацией ферментов, принимающих участие в репаративных процессах молекулы, и других факторов.

Исследования показывают, что биологические эффекты различных ионизирующих излучений неодинаковы. Например, нейтроны вызывают повреждающие эффекты в 10 раз больше, чем гаммаизлучение, а электромагнитные кванты способны только вызывать возбуждение и ионизацию. Резко выраженные повреждающие эффекты нейтронов связаны с ядерными реакциями, где быстрые нейтроны за счет большой энергии выбивают протоны и ядра из сложных биологических молекул, а медленные нейтроны способны объединяться с атомами молекул, превращая их в радиоактивные элементы. В результате чего биологический объект (организм человека) может служить источником радиоктивности. Учитывая различия биологических

57

эффектов ионизирующего излучения, было введено понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ).

Сравнение идет в этом случае с эффектами эталонного (рентгеновского излучения). Различия биологических эффектов ионизирующих излучений, таким образом, связаны с физикой прохождения их через биологический объект.

Таким образом, в связи с прямым повреждающим действием и эффектами физического, химического и биохимического повреждения ионизирующих излучений происходят нарушения различных структур клетки (мембран, внутриклеточных органелл, активности ферментов, особенно лизосомальных), возникает сложное расстройство структур и функций клеток.

Способность ионизирующих излучений вызывать повреждение облучаемых объектов получила название радиочувствительности. Устойчивость биологических объектов к повреждающему действию ионизирующих излучений называется радиорезистентностью. Радиочувствительность может проявляться на различных уровнях - клеточном, тканевом и органном, системном и организменном. Радиочувствительность на уровне клетки неодинакова для различных клеточных элементов. По степени убывания радиочувствительности и возрастания радиорезистентности все клеточные элементы можно расположить в следующем порядке: клетки лимфоидных узлов и костного мозга, эпителий половых желез, кишечника, эндотелий сосудов, мышечные, костные, хрящевые и нервные клетки.

Еще в 1906 году французские исследователи Бергонье и Трибандо установили зависимость радиочувствительности от интенсивности деления (митоза) и степени дифференцировки клетки. Причем чем

более интенсивно происходит деление, чем клетка менее дифференцирована, тем она более радиочувствительна, а сле-

довательно, и радиопоражаема. В соответствии с этим становится понятным, почему клетки костного мозга, лимфоидных узлов, эпителия кишечника, половых желез являются наиболее радиочувствительными, ибо они подвергаются интенсивному делению и обновлению.

58

Высокая чувствительность недифференцированных клеток к ионизирующему излучению послужила основанием для широкого использования ионизирующих излучений с целью лечения злокачественных опухолей.

Радиочувствительность клетки различна в зависимости от того, находится ли она в интерфазном состоянии или вступает в митотический цикл. Более чувствительна к повреждающим влияниям ионизирующего излучения клетка, находящаяся в митотическом делении. Причем чувствительность всех фаз митотического цикла - пресинтетической, синтетической, постсинтетической и митоза - значительно выше, чем у клетки, находящейся в немитотическом цикле.

Самой радиочувствительной является фаза митоза, ибо в связи со сложными изменениями в клетке нарушаются процессы деления хромосом, а, следовательно, генетического аппарата. Радиочувствительность клеток, находящихся в интерфазном состоянии, значительно ниже, чем делящихся. Радиочувствительность различных клеточных элементов, находящихся в интерфазном состоянии, также неодинакова. Так, чтобы вызвать гибель неделящихся клеток крови, требуется значительно меньшая доза ионизирующего излучения, чем для нервных клеток, которые обычно не вступают в митотический цикл. При действии ионизирующих излучений на неделящиеся клетки происходит как бы «запоминание» повреждающих эффектов ионизирующих излучений, которые выявляются в случае, если клетки вступают затем в митотический цикл, причем такие клетки могут погибать как в первом, так и в последующих митотических циклах. Указанные изменения объясняют такие последствия ионизирующих излучений для целостного организма, как укорочение длительности жизни, раннее старение, возможность развития опухоли в ранее облученном организме.

Биологические эффекты ионизирующиего излучения на уровне клетки проявляются в виде торможения митоза, интерфазной гибели клетки, мутационных изменений с последующим нарушением детородной функции или возникновением злокачественных клеток.

59

Указанные повреждения, возникающие на клеточном уровне, во многом определяют изменения на других уровнях: тканевом, органном, системном и организменном, хотя их ни в коей мере нельзя свести к сумме клеточных расстройств, ибо их строение и регуляция являются более сложными.

Так, на тканевом и органном уровне повреждающие эффекты ионизирующих излучений зависят от интенсивности метаболизма, концентрации кислорода, расстройств регуляции - нервных и эндокринных влияний.

Большое значение приобретают нарушения, возникающие на уровне различных систем организма. Особенно нарушается система иммунитета. Ибо в связи с наибольшей чувствительностью клеток костного мозга и лимфоидных узлов происходит опустошение костного мозга, уменьшение количества лимфоцитов. На этом фоне выявляются нарушения клеточной и гуморальной формы иммунитета, резко ослабляется фагоцитарная способность лейкоцитов. Таким образом, возникает явление вторичного иммунодефицита, для которого характерны ослабления как неспецифических факторов защиты (фагоцитоза, комплемента), так и иммунологических механизмов. Следствием таких изменений является развитие инфекционных процессов, вызываемых как патогенной, так и сапрофитной флорой, с явлениями резко выраженной интоксикации продуктами распада микроорганизмов, в т.ч. их всасыванием из желудочно-кишечного тракта. Это нередко приводит к язвенно-некротическим изменениям, особенно в желудочно-кишечном тракте, и воспалению в других органах, особенно в легких. Присоединение инфекции и образование экзо- и эндогенных пирогенов служит причиной лихорадочной реакции различной интенсивности. Указанные изменения происходят на уровне системы иммунитета и резко усиливают и усложняют биологические эффекты ионизирующих излучений; их можно назвать иммунологическими механизмами усиления повреждающего действия ионизирующих излучений.

Второй важнейшей системой, нарушения которой значительно усиливает патогенный эффект ионизирующих излучений, является

60