Дыхание на больших глубинах. Самая трудная проблема дыхания водой

После публичного эксперимента по жидкостному дыханию с собакой ученые в полезности этого опыта и перспективах этой технологии в целом. Редакция N + 1 попросила врача и ученого Андрея Филиппенко, который занимается разработкой систем жидкостного дыхания с советских времен, рассказать о современном состоянии исследований в этой сфере.

N + 1: Все мы видели эффектную демонстрацию с таксой, организованную Фондом перспективных исследований. Вы занимаетесь тематикой жидкостного дыхания с 1980-х годов, вы имеете какое-то отношение к этому проекту? Вы являетесь сотрудником ФПИ?

Андрей Филиппенко: Нет, я работаю независимо от ФПИ. В 1980-х я был научным руководителем исследований по проблемам жидкостного дыхания (НИОКР «Олифа МЗ»). В 2014–15 годах выполнил с ФПИ аванпроект «Терек», в качестве общественной нагрузки продолжал обучать жидкостному дыханию, ездил и согласовывал задания соисполнителям в продолжение темы «Терек-1» до первой половины 2016 года. Сейчас продолжаю работать по проблеме как врач-исследователь и разработчик аппаратов жидкостного дыхания для подводников, водолазов и космонавтов.

Эксперименты с жидкостным дыханием в 1988 году

Специалисты из ИМБП сомневаются, что в экстремальной ситуации можно действительно использовать технологию жидкостного дыхания, в частности, потому что для перехода на него требуется быстро убрать воздух из легких, иначе может наступить «белая асфиксия». Как решить эту проблему?

Причина такой асфиксии - смыкание голосовой щели, точнее, голосовых связок. Они срабатывают не у всех млекопитающих при иммерсии (полном погружении под воду), да и смыкание можно убрать анестезией. Предотвратить смыкание - это стандартная проблема для всех бронхоскопий, а бронхоскопия - рутинное мероприятие в больницах, то есть проблема недопущения смыкания связок решена.

Как обеспечить дыхание жидкостью? Ведь для этого требуется постоянная перекачка и обновление кислородсодержащей жидкости. Разве могут легкие человека обеспечить ее постоянную перекачку?

В 1987-88 годах я показал, что крупные животные (собаки) с этим могут справиться - за счет движения диафрагмы и межреберных мышц прокачивать жидкость в течение нескольких часов. Мы впервые тогда увидели противоречие западным публикациям - возможно жидкостное дыхание дольше 20 минут, то есть вдыхание кислородсодержащей жидкости и ее эвакуация наружу, при приемлемых показателях газов в крови. В случае с людьми несколько сложнее, чем с животными, но к этому нет непреодолимых препятствий. Да, это достаточно тяжело, такие эксперименты для здоровых и сильных людей, на пожилых со слабыми легкими и сердцем это и не рассчитано. Таких среди подводников нет. В переключении на жидкостное дыхание, а потом на обычное ничего невозможного нет, хотя это порой не просто. «Дьявол» в деталях.

Возможны ли негативные последствия для здоровья потом? Повреждения легких, пневмония? Насколько я понимаю, жидкость должна вымывать из легких сурфактант?

Да, альвеолы легких действительно покрыты изнутри сурфактантом, который удерживает их в развернутом состоянии. При экспериментах с солевыми растворами было установлено, что сурфактант вымывается и альвеолы в легких могли спадаться. Но мы проводили эксперименты с перфторуглеродной жидкостью, а она обладает крайне низкой смачивающей способностью, соответственно сурфактант из альвеол практически не вымывает. Кроме того, можно добавить сурфактант в саму дыхательную жидкость (они бывают разные по составу). В «чистых» перфторуглеродных экспериментах с собаками, с крысами, с мышами у нас не было случаев «спадения» альвеол легких. Следует отметить, что жидкость не всасывается в стенки альвеол и какое-то количество жидкости в легких остается, но она испаряется и выдыхается.

Но тем не менее, в результате экспериментов возникала пневмония, например, у того же Фрэнка Фалейчика?

Фалейчик, кстати, жив-здоров, мой врач-приятель из шведского Каролинского института недавно его видел. Часто дело не только в жидкости, но и в температуре. Мы ведь для имитации спасения подводников работаем в холоде, изначально животное охлаждалось, все тело погружается в воду температурой 10 градусов, а потом еще она заливается в легкие - возникает переохлаждение. И единственное, за счет чего мы можем уменьшить это переохлаждение, - это за счет быстрого подъема к поверхности.

Особенно сложная ситуация для подводников, поскольку ниже 100 метров температура воды не поднимается выше 4 градусов. Даже если нет гибели от переохлаждения в процессе всплытия, есть вероятность гибели от воспаления легких потом. Поэтому бессмысленно делать технологию жидкостного дыхания для комнатных или лабораторных условий.

Нужно решать эту проблему. Как и исключить возможность попадания в легкие каких-то примесей с жидкостью, например, шерсти собак в опыте. Именно поэтому я предложил и опробовал в море три года назад погружать таксу головой вниз в капсуле для морских испытаний. Она дышала оксигенированной жидкостью, потом смогла вывернуться из собачьего гидрокостюма и хлебнула много холодной морской воды.

Первые опыты на крупных собаках в лаборатории ВНИИ пульмонологии в 1987 году. Виден монитор состояния собаки и забор пробы дыхательной жидкости на этапе заполнения легких.

Личный архив Андрея Филиппенко

Еще одна проблема связана с самой жидкостью. В ранних экспериментах с солевыми растворами животные часто гибли, поскольку не могли вернуться обратно к дыханию воздухом. Не дает таких осложнений при адекватной методике чистая перфторуглеродная жидкость. Кстати, даже обученный для презентации первым лицам государства сотрудник ФПИ в представленном на весь мир видео оговорился и назвал ее перфтораном, невольно сделав рекламу нашему уникальному по возрасту препарату. Тут критически важна именно чистота жидкости, она должна быть чище, чем для переливаний в кровь, даже малейшие примеси могут привести к тяжелым последствиям.

Насколько серьезной проблемой может быть нервный синдром высокого давления?

В гипербарическом центре ВМФ города Ломоносова, где я работал с 1979 года, исследовали этот эффект много лет вместе с институтами Академии наук. Пробовали и лекарства, и добавление инертных газов в дыхательную смесь. Помогало и то, и другое снять проявления НСВД. Что будет на сверхбольших глубинах - узнаем, когда к ним будет приближаться человек. Опыты на животных, даже человекообразных обезьянах, мы не можем полностью переносить на людей.

Зачем вообще подводникам может понадобиться технология жидкостного дыхания? Не проще ли сделать средства спасения с обычным дыханием?

Подводников спасать сложно - в момент аварии на лодке может не быть ни света, ни тепла, почти всегда в аварийном отсеке - вода, и часто единственным способом спасения остается свободное всплытие. Один из вариантов спасения состоит в том, что подводники в специальных водолазных костюмах собираются в одном отсеке, который затапливается, а затем они через люк всплывают на поверхность. На практике это срабатывает только на очень небольшой глубине, потому что при повышении давления в отсеке азот начинает интенсивно растворяться в крови, а затем при всплытии пузыри азота выделяются обратно – в кровеносных сосудах, в тканях, возникает множество азотных пузырьков, которые закупоривают сосуды, что может привести к фатальным последствиям. Это и называется декомпрессионной болезнью. Предотвратить ее можно, только выдерживая очень длительный график всплытия в воде или в барокамере, что в условиях аварии, смертельно низкой температуры воды и недостатка кислорода попросту невозможно.

Поэтому промежуток подъема давления в отсеке должен быть максимально короткий - десятки секунд, инструкции допускают в этом случае даже прорыв барабанных перепонок, потому что декомпрессионная болезнь намного опаснее. Даже при учениях подводников, когда они тренируются на свободное всплытие, гибнут люди, как докладывали офицеры ВМС Голландии при мне в штаб-квартире НАТО в Брюсселе.

А в случае серьезной глубоководной аварии, как например, в случае «Курска», шанс на спасение может быть только у одного человека, остальные просто не успеют. Поэтому скорее всего подводники будут ждать спасения извне. Ждать до гибели, если глубина более 200 метров.

В случае использования жидкостного дыхания ситуация выглядит совершенно иначе. Экипаж надевает аппараты для жидкостного дыхания, включает их, а затем они поднимаются, всплывая в спасательном гидрокостюме на поверхность. В дыхательной жидкости нет азота, нет значительного перепада давления между легкими и внешней средой, поэтому риска декомпрессионной болезни нет. Это не значит, что все проблемы спасения людей в море будут решены, но будет решена одна из них - подъем к поверхности.

Но ведь такое устройство должно быть крайне сложным: в нем должны быть системы перекачки жидкости, системы насыщения ее кислородом и удаления из нее углекислого газа, должен быть подогрев жидкости и многое другое. Можно ли вообще использовать такое сложное и ненадежное устройство в экстренной ситуации? Насколько реально ее построить?

Что касается аппарата механической, принудительной вентиляции, то американцы сделали аппарат жидкостного дыхания величиной со шкаф. Мне же пришлось сделать размером с «дипломат» для бумаг. Просто не было возможности его возить на машине в командировки. Наш аппарат в опытах с жидкостным дыханием собак тридцать лет назад вдвое превысил заданную рабочую глубину - 700 метров вместо 350 метров. Был успех. Если толковым людям правильно взяться, можно сделать многое.

Когда же мы делаем длительное принудительное жидкостное дыхание аппаратом водолаза-спасателя, то у него, например, должна быть система подогрева жидкости, прецизионные датчики насыщения кислородом перфторуглерода. Как в ребризерах, с тройным резервированием. И все же не вижу проблем сделать устройство достаточно компактным.

Считаю, что можно сделать простое устройство для подводников, правда, нужны большой опыт и талант, а также граничные условия применения от заказчика. Помня, что этот метод не решает всех проблем при аварии лодки. Это не магия.

Вопрос использования - вопрос тренировки подводников профессионалами. Переключиться на жидкостное дыхание не просто, но эту операцию возможно отработать. В Институте пульмонологии регулярно проводят процедуры заливания и промывки легких жидкостью - она жизненно необходима для больных альвеолярным протеинозом. Без этого они не способны жить дальше. И не всегда эта процедура проводится под общим наркозом, порой его из-за опасности для больного не применяли.

Наконец, когда у нас появилось требование, чтобы человек вышел в космос, сложнейший скафандр «Беркут» сделали сверхбыстро - за девять месяцев, и в полете Леонов его испытал. Наши деды сделали, мы тоже, если возьмемся, сможем!

В каком состоянии эти исследования сейчас?

Это непростой вопрос. Сейчас мы в проекте «Терек-1» повторили результаты 1988 года, когда я по заказу ВМФ СССР вместе с Научно-исследовательским институтом спасания и подводных технологий провел в НИОКР «Олифа МЗ» серию экспериментов с собаками в барокамерах при гипербарии и в лаборатории при нормальном давлении. Мне повторить свой же результат было не сложно, а коллегам из ФПИ и их подопечным из Института медицины труда и Севастопольского государственного института пришлось учиться. И результат есть.

Пока в простом варианте: без видеокамеры снизу и датчиков контроля состояния собаки, при нормальном давлении, в рамках нескольких минут. В таких условиях сложно увидеть собственно жидкостное дыхание.

Если говорить о научных результатах публичного опыта, то здесь их не собрать: сразу после опыта перевозить животное в самолете в Москву или забирать домой - все это непременно сказывается на показателях здоровья. Результаты будут искаженными. Это допустимо только при пилотных, пробных опытах или при отсутствии финансирования. Очень важно содержать животное после реабилитации к норме в стандартных условиях. Нужно ежедневно контролировать его состояние в течение нескольких лет и планировать секцию опытных животных порой через годы.

Хорошо знаю, что сейчас масса проблем с экспериментальными животными, поэтому при планировании темы «Терек-1» в 2016 году я требовал опережающего строительства в Севастополе вивария для животных и создания мест для их пожизненного проживания под присмотром ветеринаров после экстремальных глубоководных экспериментов. Надеюсь, мы увидим образцовый виварий, раз иностранцам показывали такой опыт.

А как скоро можно ожидать экспериментов на людях в России?

Пилотный эксперимент со здоровыми добровольцами, находящимися в сознании, может быть проведен через три месяца. Я 30 лет разрабатываю свою методику самостоятельного жидкостного дыхания. Да, должна быть слаженная команда высококвалифицированных специалистов. За долгие годы успел со многими поработать. Сложилась команда готовых к уникальным экспериментам врачей-исследователей. Волонтерские испытания с военнослужащими отпадают, поскольку нет соответствующего законодательства. В России проводят испытания лекарств и медицинских устройств (в основном западных) на гражданских лицах, но Фонд перспективных исследований не имеет необходимых разрешений на проведение таких исследований, их головной в теме «Терек-1» - московский Институт медицины труда - проблемный по сравнению с другими организациями. Еще в 2014–2015 годах (до моих морских испытаний) их специалисты отрицали возможность успешного самостоятельного жидкостного дыхания крупных животных по своему опыту с животными в теме 2008 года.

Когда это может быть реализовано иностранной группой - сказать не могу, да и вряд ли у кого получится. Шведы и американцы прямо говорили: «Мы после вас».

Горжусь этим, да и тем, что 25 лет хранил и передал прорывную технологию нашей стране. Есть недостатки и трудности, но можно сказать, что тема жидкостного дыхания получила поддержку в России и будет развиваться.

Беседовал Илья Ферапонтов

Разрабатываемая Фондом перспективных исследований (ФПИ) система жидкостного дыхания поможет подводникам быстро подниматься на поверхность без кессонной болезни. Антропоморфный робот Фёдор примет участие в испытаниях нового российского космического корабля и может помочь Росатому в утилизации ядерных отходов. Подводный аппарат для экстремальных глубин будет испытан на дне Марианской впадины. О проектах ФПИ «Известиям» рассказал председатель научно-технического совета фонда Виталий Давыдов.

- Сколько проектов реализовано фондом и какие из них вы бы отметили особо?

В разной стадии выполнения у нас находится около 50 проектов. Еще 25 завершены. Полученные результаты переданы или передаются заказчикам. Созданы демонстраторы технологий, получено порядка 400 результатов интеллектуальной деятельности. Диапазон тематик - от погружения на дно Марианской впадины до космоса.

Из реализованных проектов можно назвать, например, успешно проведенные в прошлом году совместно с ведущим предприятием ракетного двигателестроения НПО «Энергомаш» испытания ракетного детонационного двигателя. Параллельно впервые в мире фонд получил устойчивый рабочий режим демонстратора детонационного воздушно-реактивного двигателя. Если первый предназначен для космической техники, то второй - для авиационной. Гиперзвуковые летательные аппараты, использующие такие системы, столкнутся с множеством проблем. Например, с высокими температурами. Фонд нашел решение этих проблем, использовав эффект термоэмиссии - преобразования тепловой энергии в электрическую. Фактически мы получаем электроэнергию для питания систем аппарата и одновременно охлаждаем элементы планера и двигатель.

- Один из самых известных проектов Фонда - робот Фёдор. Его создание завершено?

– Да, работы по Фёдору завершены. Сейчас идет передача МЧС полученных результатов. Причем оказалось, что они заинтересовали не только МЧС, но и другие министерства, а также госкорпорации. Многие, наверное, слышали, что технологии Фёдора будут использованы «Роскосмосом» для создания робота-испытателя, который отправится в полет на новом российском пилотируемом космическом корабле «Федерация». Большой интерес к роботу проявил «Росатом». Ему нужны технологии, обеспечивающие возможность работы в условиях, опасных для человека. Например, при утилизации ядерных отходов.

- Можно ли использовать Фёдора для спасения экипажей подлодок, обследования затонувших кораблей?

Технологии, полученные при создании Фёдора, могут быть использованы для различных целей. Фонд реализует ряд проектов, связанных с подводными необитаемыми аппаратами. И в принципе технологии антропоморфного робота могут быть в них интегрированы. В частности, предусматривается создание подводного аппарата для работы на экстремальных глубинах. Мы намерены испытать его в Марианской впадине. При этом не просто опуститься на дно, как наши предшественники, а обеспечить возможность передвижения в придонной области и проведения научных исследований. Такого еще никто не делал.

В США разрабатывается четырехногий робот для перевозки грузов BigDog. Ведутся ли в ФПИ аналогичные разработки?

Что касается шагающих платформ для переноски грузов или боеприпасов, то фонд такую работу не ведет. Но некоторые организации, с которыми мы сотрудничаем, в инициативном порядке занимались подобными разработками. Вопрос о том, нужен ли подобный робот на поле боя, остается открытым. В большинстве случаев выгоднее использовать колесные или гусеничные машины.

- Какие робототехнические платформы создаются в ФПИ, помимо Фёдора?

У нас разрабатывается целый спектр платформ различного назначения. Это и наземные, и воздушные, и морские роботы. Выполняющие задачи разведки, транспортировки грузов, а также способные вести боевые действия. Одним из направлений работ в этой области является определение облика и отработка способов применения дронов, включая групповой. Думаю, что если всё будет идти теми же темпами, уже в ближайшее время произойдет существенное расширение применения дронов в том числе и для решения боевых задач.

- ФПИ разрабатывает атмосферный спутник «Сова» - большой электросамолет. Как идут его испытания?

-Испытания демонстратора беспилотного аппарата «Сова» завершены. Состоялся длительный полет на высоте около 20 тыс. м. К сожалению, аппарат попал в зону сильной турбулентности и получил серьезные повреждения. Но к этому времени мы уже получили все необходимые данные, убедились как в перспективности самого направления исследований, так и правильности выбранных конструктивных решений . Полученный опыт будет использован при создании и испытании полноразмерного аппарата.

Предприятие «Роскосмоса» НПО им. Лавочкина ведет аналогичную разработку - создает атмосферный спутник «Аист». Вы следите за разработкой конкурентов?

Мы в курсе этих работ, поддерживаем связь с разработчиками «Аиста». Речь идет не о конкуренции, а о взаимном дополнении.

Могут ли подобные аппараты использоваться в арктической зоне, где нет связи и инфраструктуры для частых взлетов-посадок?

Необходимо учитывать, что весной и осенью, а тем более в условиях полярной ночи «атмосферный спутник» может просто не получить энергии, необходимой для зарядки батарей. Это ограничивает его применение.

Недавно общественности были продемонстрированы технологии жидкостного дыхания – погружение таксы в специальную насыщенную кислородом жидкость. Демонстрация «утопления» вызвала волну протестов. Продолжатся ли после этого работы в данном направлении?

-Работы по жидкостному дыханию продолжаются. На основе нашей разработки могут быть спасены тысячи жизней. И речь идет не только о подводниках, которые благодаря жидкостному дыханию смогут без последствий в виде кессонной болезни оперативно подняться на поверхность. Есть целый ряд заболеваний и травм легких, при лечении которых можно добиться успеха с помощью жидкостного дыхания. Интересны перспективы использования технологии жидкостного дыхания для быстрого охлаждения организма, когда необходимо замедлить протекающие в нем процессы. Сейчас это делается за счет внешнего охлаждения или ввода в кровь специального раствора. Можно то же самое, но более эффективно, делать с помощью заполнения легких охлажденной дыхательной смесью.

Руководитель лаборатории ФПИ по созданию жидкостного дыхания Антон Тоньшин с таксой по кличке Николас, с помощью которой ученые Фонда перспективных исследований (ФПИ) изучали возможности жидкостного дыхания

Надо отметить, что нет никакого нанесения вреда здоровью животных, участвующих в данных экспериментах. Все «экспериментаторы» живы. Часть из них содержится в лаборатории, где их состояние контролируют. Многие стали домашними питомцами сотрудников, но при этом их состояние также периодически отслеживается нашими специалистами. Результаты наблюдений свидетельствуют об отсутствии негативных последствий жидкостного дыхания. Технология отработана, и мы перешли к созданию специальных устройств для ее практической реализации.

- Когда перейдете к исследованиям жидкостного дыхания на людях?

Теоретически мы готовы к таким экспериментам, но для их начала необходимо по крайней мере создать и отработать соответствующее оборудование.

В свое время ФПИ разработал программную платформу для проектирования различной техники, призванную заменить иностранный софт. Используется ли она где-то?

Работы по созданию единой среды российского инженерного программного обеспечения «Гербарий» действительно завершены. Сейчас рассматривается вопрос о ее использовании в «Росатоме» и «Роскосмосе» - для проектирования перспективных образцов продукции атомной промышленности, а также ракетно-космической техники.

- Работает ли фонд в области технологий дополненной реальности?

-Да, фонд ведет такие работы - в частности, совместно с «КамАЗом». Одна из наших лабораторий создала прототип очков дополненной реальности, которые обеспечивают контроль сборки агрегатов для автомобиля. Программа подсказывает, какую деталь нужно взять и куда ее установить. Если оператор совершает неправильные действия, например отступает от установленного порядка сборки изделия или неверно устанавливает его элементы, звучит звуковое оповещение о неверном шаге, а на очки выводится информация об ошибке. При этом факт неправильных действий или даже их попытка фиксируется в электронном журнале. В итоге должна быть создана система, исключающая возможность неправильной сборки. В дальнейшем мы намерены развивать указанную систему в направлении миниатюризации, заменить очки на более совершенные устройства.

Перспективы вычислительной техники сейчас связывают с развитием квантовых компьютеров, а защиты информации - с квантовой криптографией. Развивает ли ФПИ эти направления?

Фонд занимаемся проблематикой, связанной с квантовыми вычислениями, созданием соответствующей элементной базы. Что касается квантовой связи, у всех на слуху опыты китайских коллег. Но и мы не стоим на месте.

Еще осенью 2016 года ФПИ и «Ростелеком» обеспечили квантовую передачу информации по оптико-волоконному кабелю между Ногинском и Павловским Посадом. Эксперимент прошел успешно. Сегодня можно уже поговорить по квантовому телефону. Важной особенностью квантовой передачи информации является невозможность ее перехвата.

В ходе упомянутого эксперимента квантовая связь была обеспечена на расстоянии около 30 км. Технически нет проблем осуществить ее и на большей дальности. Готовимся провести сеанс связи по атмосферному каналу. Прорабатываем возможность эксперимента по квантовой связи из космоса с использованием потенциала Международной космической станции.

December 28th, 2017

С тех пор как в 2016 году Фонд перспективных исследований (ФПИ) одобрил проект жидкостного дыхания, общественность живо интересуется его успехами. Недавняя демонстрация возможностей этой технологии буквально взорвала интернет. На встрече зампреда правительства Дмитрия Рогозина с президентом Сербии Александром Вучичем таксу погрузили на две минуты в аквариум со специальной жидкостью, насыщенной кислородом. После процедуры собака, по словам вице-премьера, жива и здорова.

Лично мне конечно непонятно, почему толпы жалеющих собаку в соцсетях не кидаются защищать например мышей и кроликов, которые вообще то гибнут пачками в институтах. А еще интересно, они считают например Королева тоже жестоким и бессердечным - он то не одну собаку подарил во благо человечества. А вот , а . Ну ладно, мы не об этом вообще то.

Что это была за жидкость? Можно ли дышать жидкостью? И как обстоят дела в этой сфере научных исследований?

Чтобы было понятно, почему открытие называют настоящим прорывом. Еще в конце 80-х годов жидкостное дыхание считалось научной фантастикой. Им пользовались герои фильма американского режиссера Джеймса Кэмерона "Бездна". И даже в картине оно называлось экспериментальной разработкой.

Научить человека и животных дышать жидкостью пытались давно. Первые опыты в 60-х были неудачными, подопытные мыши жили очень недолго. На людях технику жидкостной вентиляции легких проверяли один единственный раз в США, для спасения недоношенных детей. Однако ни одного из трех младенцев не удалось реанимировать.

Тогда для доставки кислорода в легкие использовали перфторан, его еще применяют в качестве кровезаменителей. Основной проблемой было то, что эту жидкость не удавалось достаточным образом очистить. В ней плохо растворялся углекислый газ, и для длительного дыхания нужна была принудительная вентиляция легких. В покое мужчина обычной комплекции среднего роста должен был пропускать через себя 5 литров жидкости в минуту, при нагрузках - 10 литров в минуту. Легкие для таких нагрузок не приспособлены. Нашим исследователям удалось эту проблему решить.

Жидкостное дыхание, жидкостная вентиляция лёгких — дыхание с помощью хорошо растворяющей кислород жидкости. На настоящий момент проводились лишь отдельные эксперименты подобных технологий.

Жидкостное дыхание предполагает заполнение лёгких жидкостью, насыщенной растворённым кислородом, который проникает в кровь. Наиболее подходящими веществами для этой цели рассматриваются перфторуглеродные соединения, хорошо растворяющие кислород и углекислый газ, имеющие низкое поверхностное натяжение, высокоинертные, и не метаболизирующиеся в организме.

Частичная жидкостная вентиляция лёгких в настоящее время находится в стадии клинических испытаний при различных нарушениях дыхания. Разработано несколько способов жидкостной вентиляции лёгких, в том числе вентиляции с помощью паров и аэрозолей перфторуглеродов.

Полная жидкостная вентиляция лёгких заключается в полном заполнении лёгких жидкостью. Эксперименты по полной жидкостной вентиляции лёгких проводились на животных в 1970 — 1980-е годы в СССР и США. Например, в 1975 г. в институте сердечно-сосудистой хирургии им. А. Н. Бакулева профессор Ф. Ф. Белоярцев впервые в стране выполнил работы по длительной внелёгочной оксигенации с использованием фторуглеродных оксигенаторов и по замене газовой среды в лёгких на жидкий перфторуглерод. Однако, данные эксперименты до сих пор не вышли из этой стадии. Это связано с тем, что изученные соединения, пригодные для жидкостной вентиляции лёгких, обладают рядом недостатков, которые значительно ограничивают их применимость. В частности, не было найдено методов, которые могли бы применяться продолжительно.

Предполагается, что жидкостное дыхание может использоваться при глубоководных погружениях, космических полётах, в качестве одного из средств в комплексной терапии некоторых болезней.

В РФ экспериментами и разработками в области жидкостного дыхания занимается ученый, врач, разработчик технологии и изобретатель аппарата "Жидкостного дыхания" Андрей Викторович Филиппенко. Разработки ученого известны, как в России, так и за рубежом. Филиппенко - действующий кандидат медицинских наук, специалист по жидкостному дыханию, патофизиологии легких, восстановительной медицине, фармакологическим испытаниям и разработке медицинских приборов. Выпустил более 20 научно-технических отчетов и опубликовал около 30 научных статей в российской и зарубежной печати. Выступал на множестве конференций по теме жидкостного дыхания и спасения подводников, в том числе в России, Германии, Бельгии, Швеции, Великобритании и Испании. Имеет авторские свидетельства на метод ультразвуковой локации декомпрессионных газовых пузырьков и др. В 2014 году Андрей Викторович Филиппенко заключил договор с Фондом перспективных исследований, работа с которым продлилась вплоть до 2016 года.

"Ученые синтезировали несуществующие в природе вещества — перфторуглероды, в которых межмолекулярные силы настолько малы, что их считают чем-то промежуточным между жидкостью и газом. Они растворяют в себе кислород в 18-20 раз больше, чем вода", — рассказывает доктор медицинских наук Евгений Маевский, профессор, заведующий лабораторией энергетики биологических систем Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, один из создателей перфторана, так называемой голубой крови. Он работает над медицинскими приложениями перфторуглеродов с 1979 года.

При парциальном давлении в одну атмосферу в 100 миллилитрах воды растворяется всего 2,3 миллилитра кислорода. При тех же условиях перфторуглероды могут содержать до 50 миллилитров кислорода. Это делает их потенциально пригодными для дыхания.

"Например, при погружении на глубину через каждые 10 метров давление увеличивается как минимум на одну атмосферу. В итоге грудная клетка и легкие сожмутся до такой степени, что дышать в газовой среде станет невозможно. А если в легких находится переносящая газ жидкость, существенно большей плотности, чем воздух и даже вода, то они смогут функционировать. В перфторуглеродах можно растворить кислород без примеси азота, которого много в воздухе и растворение которого в тканях является одной из наиболее существенных причин кессонной болезни при подъеме с глубины", — продолжает Маевский.

Кислород будет поступать в кровь из жидкости, наполняющей легкие. В ней же может растворяться переносимый кровью углекислый газ.

Принцип дыхания жидкостью прекрасно освоен рыбами. Их жабры пропускают через себя колоссальный объем воды, забирают растворенный там кислород и отдают в кровь. У человека нет жабр, а весь газообмен идет через легкие, площадь поверхности которых примерно в 45 раз превосходит площадь поверхности тела. Чтобы прогнать через них воздух, мы делаем вдох и выдох. В этом нам помогают дыхательные мышцы. Поскольку перфторуглероды плотнее, чем воздух, то дышать на поверхности с их помощью весьма проблематично.

"В этом и состоят наука и искусство подобрать такие перфторуглероды, чтобы облегчить работу дыхательных мышц и не допустить повреждения легких. Многое зависит от длительности процесса дыхания жидкостью, от того, насильственно или спонтанно оно происходит", — заключает исследователь.

Однако принципиальных препятствий к тому, чтобы человек дышал жидкостью, нет. Евгений Маевский полагает, что продемонстрированную технологию российские ученые доведут до практического применения в ближайшие несколько лет.

От реанимации до спасения подводников

Ученые стали рассматривать перфторуглероды как альтернативу дыхательным газовым смесям в середине прошлого века. В 1962 году вышла статья голландского исследователя Йоханнеса Килстры (Johannes Kylstra) "О мышах-рыбах" (Of mice as fish), где описан опыт с грызуном, помещенным в насыщенный кислородом солевой раствор при давлении 160 атмосфер. Животное оставалось живым в течение 18 часов. Затем Килстра стал экспериментировать с перфторуглеродами, и уже в 1966 году в детском госпитале Кливленда (США) физиолог Леланд Кларк (Leland C. Clark) попытался применить их, чтобы наладить дыхание новорожденных, больных муковисцидозом. Это генетическое заболевание, при котором ребенок рождается с недоразвитыми легкими, его альвеолы схлопываются, что препятствует дыханию. Легкие таких пациентов промывают физраствором, насыщенным кислородом. Кларк решил, что лучше делать это кислородсодержащей жидкостью. Этот исследователь впоследствии много сделал для развития жидкостного дыхания.

В начале 1970-х "дыхательной" жидкостью заинтересовались в СССР, в значительной мере благодаря руководителю лаборатории ленинградского НИИ переливания крови Зое Александровне Чаплыгиной. Этот институт стал одним из лидеров проекта по созданию кровезаменителей — переносчиков кислорода на основе эмульсий перфторуглеродов и растворов модифицированного гемоглобина.

Над применением этих веществ для промывания легких активно работали в Институте сердечно-сосудистой хирургии Феликс Белоярцев и Халид Хапий.

"В наших экспериментах у мелких животных несколько страдали легкие, но все они выживали", — вспоминает Евгений Маевский.

Систему дыхания с помощью жидкости разрабатывали по закрытой тематике в институтах Ленинграда и Москвы, а с 2008 года — на кафедре аэрогидродинамики Самарского государственного аэрокосмического университета. Там сделали капсулу типа "Русалка" для отработки жидкостного дыхания в случае экстренного спасения подводников с большой глубины. С 2015 года разработку испытывали в Севастополе по теме "Терек", поддерживаемой ФПИ.

Наследие атомного проекта

Перфторуглероды (перфторуглеводороды) — это органические соединения, где все атомы водорода замещены на атомы фтора. Это подчеркивает латинская приставка "пер-", означающая завершенность, целостность. Эти вещества не обнаружены в природе. Их пытались синтезировать еще в конце XIX века, но реально преуспели только после Второй мировой, когда они понадобились для атомной промышленности. Их производство в СССР наладил академик Иван Людвигович Кнунянц, основатель лаборатории фторорганических соединений в ИНЭОС РАН.

"Перфторуглероды использовали в технологии получения обогащенного урана. В СССР их крупнейшим разработчиком был Государственный институт прикладной химии в Ленинграде. В настоящее время их выпускают в Кирово-Чепецке и Перми", — говорит Маевский.

Внешне жидкие перфторуглероды выглядят как вода, но ощутимо более плотные. Они не вступают в реакцию с щелочами и кислотами, не окисляются, разлагаются при температуре более 600 градусов. Фактически их считают химически инертными соединениями. Благодаря этим свойствам перфторуглеродные материалы применяют в реанимационной и регенеративной медицине.

"Есть такая операция — бронхиальный лаваж, когда человеку под наркозом промывают одно легкое, а потом другое. В начале 80-х вместе с волгоградским хирургом А. П. Савиным мы пришли к выводу, что эту процедуру лучше делать перфторуглеродом в виде эмульсии", — приводит пример Евгений Маевский.

Эти вещества активно применяют в офтальмологии, для ускорения заживления ран, при диагностике заболеваний, в том числе онкологических. В последние годы метод ЯМР-диагностики с применением перфторуглеродов разрабатывают за рубежом. В нашей стране эти исследования успешно проводит коллектив ученых из МГУ им. М. В. Ломоносова под руководством академика Алексея Хохлова, ИНЭОС, ИТЭБ РАН и ИИФ (Серпухов).

Нельзя не упомянуть и то, что из этих веществ делают масла, смазки для систем, работающих в условиях высоких температур, включая реактивные двигатели.

Источники:

Российский фонд перспективных исследований проверяет на собаках технологию жидкостного дыхания для подводников, сообщает со ссылкой на руководителя Фонда Виталия Давыдова.

«В одной из его лабораторий ведутся работы по жидкостному дыханию. Пока эксперименты проводят над собаками. При нас рыжую таксу погрузили в большую колбу с водой мордой вниз. Казалось бы, зачем над животным издеваться, сейчас захлебнется же. Ан нет. Она просидела под водой 15 минут. А рекорд – 30 минут. Невероятно. Оказывается, легкие собаки заполнились жидкостью, насыщенной кислородом, что дало ей возможность дышать под водой. Когда её вытащили, она была немного вялая – говорят, из-за переохлаждения (а я думаю, кому понравится под водой в банке у всех на глазах торчать), но через несколько минут стала вполне себе. Скоро опыты будут проводить на людях», – рассказал корреспондент «РГ» Игорь Черняк.

«Всё это было похоже на фантастический сюжет знаменитого фильма "Бездна", где на огромную глубину человек мог спуститься в скафандре, шлем которого был заполнен жидкостью. Ею подводник и дышал. Теперь это уже не фантастика», – пишет он.

По словам корреспондента, «технология жидкостного дыхания предполагает заполнение легких специальной жидкостью, насыщенной кислородом, который проникает в кровь».

«Фонд перспективных исследований одобрил реализацию уникального проекта, работы ведет НИИ медицины труда. Планируется создать специальный скафандр, который пригодится не только подводникам, но и лётчикам, а также космонавтам», – сообщает он.

Давыдов рассказал корреспонденту, что для собак создана специальная капсула, которая погружается в гидрокамеру с повышенным давлением. «На данный момент собаки могут без последствий для здоровья более получаса дышать на глубине до 500 метров. "Все собаки-испытатели выжили и чувствуют себя после длительного жидкостного дыхания хорошо», – сказал руководитель Фонда.

Далее газета пишет: «Мало кто знает, что опыты по жидкостному дыханию на людях в нашей стране уже проводились. Дали потрясающие результаты. Акванавты дышали жидкостью на глубине в полкилометра и больше. Вот только народ о своих героях так и не узнал.

В 1980-х годах в СССР разработали и стали осуществлять серьезную программу по спасению людей на глубине.

Проектировались и даже вводились в строй специальные спасательные подводные лодки. Изучались возможности адаптации человека к глубинам в сотни метров. Причем находиться на такой глубине акванавт должен был не в тяжелом водолазном скафандре, а в легком утепленном гидрокостюме с аквалангами за спиной, движения его не были ничем стеснены.

Поскольку человеческий организм состоит почти целиком из воды, то ему не опасно страшное давление на глубине само по себе. Организм надо просто готовить к нему, повышая в барокамере давление до необходимого значения. Главная проблема в другом. Чем дышать при давлении в десятки атмосфер? Чистый воздух для организма становится ядом. Его необходимо разбавлять в специально подготовленных газовых смесях, как правило, азотно-гелиево-кислородных.

Их рецептура - пропорции различных газов - самая большая тайна во всех странах, где идут аналогичные исследования. Но на очень большой глубине и гелиевые смеси не спасают. Легкие, чтобы их не разорвало, должны заполняться жидкостью. Что из себя представляет жидкость, которая, попав в легкие, не приводит к удушью, а передает через альвеолы кислород в организм – тайна из тайн.

Поэтому-то все работы с акванавтами в СССР, а затем и в России велись под грифом "совершенно секретно".

Тем не менее, есть вполне достоверная информация о том, в конце 1980-х на Черном море существовала глубоководная аквастанция, в которой жили и работали подводники-испытатели. Они выходили в море, облаченные лишь в гидрокостюмы, с аквалангами за спиной, и работали на глубинах от 300 до 500 метров. В их легкие под давлением подавалась специальная газовая смесь.

Предполагалось, что если подлодка терпит бедствие и легла на дно, то к ней направят субмарину-спасатель. Акванавтов заранее подготовят к работам на соответствующей глубине.

Самое тяжелое – суметь выдержать наполнение легких жидкостью и просто не умереть со страха.

И когда спасательная субмарина подойдет к месту бедствия, водолазы в легком снаряжении выйдут в океан, обследуют аварийную лодку и помогут эвакуировать экипаж с помощью специальных глубоководных аппаратов.

До конца те работы довести не удалось из-за распада СССР. Впрочем, тех, кто работал на глубине, все-таки успели наградить звездами Героев Советского Союза».

Недавно Научно-технический совет государственного Фонда перспективных исследований одобрил «проект по созданию технологии спасения подводников свободным всплытием с использованием метода жидкостного дыхания», реализацией которого должен заняться московский Институт медицины труда (на момент написания статьи руководство института было недоступно для комментариев). «Чердак» решил разобраться, что скрывается за таинственным словосочетанием «жидкостное дыхание».

Наиболее впечатляюще жидкостное дыхание показано в фильме Джеймса Кэмерона «Бездна».

Правда, в таком виде опыты на людях еще никогда не проводились. Но в целом ученые не сильно уступают Кэмерону по части исследования этого вопроса.

Мыши как рыбы

Первым, кто показал, что млекопитающие в принципе могут получать кислород не из смеси газов, а из жидкости, был Йоханнес Килстра (Johannes Kylstra) из медицинского центра университета Дьюка (США). Вместе с коллегами он в 1962 году опубликовал работу «Мыши как рыбы » (Of mice as fish) в журнале Transactions of American Society for Artificial Internal Organs .

Килстра и его коллеги погружали мышей в физраствор. Чтобы растворить в нем достаточное для дыхания количество кислорода, исследователями «вгоняли» газ в жидкость под давлением до 160 атмосфер — как на глубине 1,5 километра. Мыши в этих экспериментах выживали, но не очень долго: кислорода в жидкости было достаточно, а вот сам процесс дыхания, втягивания и выталкивания жидкости из легких требовал слишком больших усилий.

«Вещество Джо»

Стало понятно, что нужно подобрать такую жидкость, в которой кислород будет растворяться намного лучше, чем в воде. Требуемыми свойствами обладали два типа жидкостей: силиконовые масла и жидкие перфторуглероды. После экспериментов Леланда Кларка (Leland Clark), биохимика из медицинской школы университета Алабамы, в середине 1960-х годов выяснилось, что оба типа жидкостей можно использовать для доставки кислорода в легкие. В опытах мышей и кошек полностью погружали и в перфторуглероды, и в силиконовые масла. Однако последние оказались токсичны — подопытные звери погибали вскоре после эксперимента. А вот перфторуглероды оказались вполне пригодны для использования.

Перфторуглероды были впервые синтезированы в ходе Манхэттенского проекта по созданию атомной бомбы: ученые искали вещества, которые бы не разрушались при взаимодействии с соединениями урана, и они проходили под кодовым названием «вещества Джо» (Joe’s stuff). Для жидкостного дыхания они подходят очень хорошо: «вещества Джо» не взаимодействуют с живыми тканями и прекрасно растворяют газы, в том числе кислород и углекислый газ при атмосферном давлении и нормальной температуре человеческого тела.

Килстра и его коллеги исследовали технологию жидкостного дыхания в поисках технологии, которая бы позволяла людям погружаться и всплывать на поверхность, не опасаясь развития кессонной болезни. Быстрый подъем с большой глубины с запасом сжатого газа очень опасен: газы лучше растворяются в жидкостях под давлением, поэтому по мере того, как водолаз всплывает, растворенные в крови газы, в частности азот, образуют пузырьки, которые повреждают кровеносные сосуды. Результат может быть печальным, вплоть до смертельного.

В 1977 году Килстра представил в Военно-морское министерство США заключение, в котором писал, что, по его расчетам, здоровый человек может получать необходимое количество кислорода при использовании перфторуглеродов, и, соответственно, их потенциально возможно использовать вместо сжатого газа. Ученый указывал, что такая возможность открывает новые перспективы для спасения подводников с больших .

Эксперименты на людях

На практике техника жидкостного дыхания, к тому времени получившая название жидкостной вентиляции легких, была применена на людях всего один раз, в 1989 году. Тогда Томас Шаффер (Thomas Shaffer), педиатр из медицинской школы Темпльского университета (США), и его коллеги использовали этот метод для спасения недоношенных младенцев. Легкие зародыша в утробе матери заполнены жидкостью, а когда человек рождается и начинает дышать воздухом, тканям легких на протяжении всей оставшейся жизни не дает слипаться смесь веществ, называемая легочным сурфактантом. У недоношенных младенцев он не успевает накопиться в нужном количестве, и дыхание требует очень больших усилий, что чревато летальным исходом. В тот раз, правда, жидкостная вентиляция младенцев не спасла: все трое пациентов вскоре умерли, однако этот печальный факт был отнесен на счет других причин, а не на счет несовершенства метода.

Больше экспериментов по тотальной жидкостной вентиляции легких, как эта технология называется по-научному, на людях не проводилось. Однако в 1990-х годах исследователи модифицировали метод и проводили на пациентах с тяжелым воспалительным поражением легких эксперименты по частичной жидкостной вентиляции, при которой легкие заполняются жидкостью не полностью. Первые результаты выглядели обнадеживающими, но в конечном счете до клинического применения дело не дошло — оказалось, что обычная вентиляция легких воздухом работает не хуже.

Патент на фантастику

В настоящее время исследователи вернулись к идее использования полной жидкостной вентиляции легких. Однако фантастическая картина водолазного костюма, в котором человек будет дышать жидкостью вместо специальной смеси газов, далека от реальности, хотя и будоражит воображение публики и умы изобретателей.

Так, в 2008 году отошедший от дел американский хирург Арнольд Ланде (Arnold Lande) запатентовал водолазный костюм с использованием технологии жидкостной вентиляции. Вместо сжатого газа он предложил использовать перфторуглероды, а избыток углекислоты, которая будет образовываться в крови, выводить при помощи искусственных жабр, «воткнутых» прямо в бедренную вену водолаза. Изобретение получило некоторую известность после того, как о нем написало издание The Inpependent .

Как считает специалист по жидкостной вентиляции из Шербрукского университета в Канаде Филипп Мишо (Philippe Micheau), проект Ланде выглядит сомнительным. «В наших экспериментах (Мишо и его коллеги проводят эксперименты на ягнятах и крольчатах со здоровыми и поврежденными легкими — прим. «Чердака») по тотальному жидкостному дыханию животные находятся под анестезией и не двигаются. Поэтому мы можем организовать нормальный газообмен: доставку кислорода и удаление углекислого газа. Для людей при физической нагрузке, такой как плавание и ныряние, доставка кислорода и удаление углекислоты будут проблемой, так как выработка углекислоты в таких условиях выше нормы», — прокомментировал Мишо. Ученый также отметил, что технология закрепления «искусственных жабр» в бедренной вене ему неизвестна.

Главная проблема «жидкостного дыхания»

Более того, Мишо считает саму идею «жидкостного дыхания» сомнительной, поскольку для «дыхания» жидкостью человеческая мускулатура не приспособлена, а эффективная система насосов, которая бы помогала закачивать и выкачивать жидкость из легких человека, когда он двигается и выполняет какую-то работу, до сих пор не разработана.

«Я должен заключить, что на современном этапе развития технологий невозможно разработать водолазный костюм, используя метод жидкостной вентиляции», — считает исследователь.

Однако применение этой технологии продолжает исследоваться для других, более реалистичных целей. Например, для помощи утонувшим, промывания легких при различных заболеваниях или быстрого понижения температуры тела (применяется в случаях реанимации при остановке сердца у взрослых и новорожденных с гипоксически-ишемическим поражением мозга).

Главная » Транскрипции » Дыхание на больших глубинах. Самая трудная проблема дыхания водой