Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова, 2022, T. 108, № 10, стр. 1243-1263

ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ГИПЕРБАРИЧЕСКОГО КИСЛОРОДА

Кислород в составе атмосферного воздуха является, пожалуй, самым важным элементом для поддержания жизни на Земле. Геологические исследования указывают, что в атмосфере нашей планеты концентрация кислорода существенно колебалась и ее величина стабилизировалась на уровне 21% примерно 500 миллионов лет назад. Кислород имеет высокий окислительно-восстановительный потенциал, поэтому является сильным окислителем, который “отрывает” электроны от биологических макромолекул, вызывая внутриклеточное повреждение. Если нет адекватной защиты от кислорода и способов восстановления вызванных им повреждений, возникают токсические эффекты. Токсичность кислорода обусловлена его промежуточными формами, известными как активные формы кислорода (ROS), которые обычно удаляются клеточными антиоксидантными системами. Есть основания полагать, что искусственное повышение парциального давления кислорода в дыхательной среде через ROS активирует также эволюционно закрепленные адаптивные реакции сердечно-сосудистой системы, направленные на уменьшение доставки кислорода к органам и тканям при гипероксии. Такими физиологическими реакциями являются гипероксическая вазоконстрикция и гипероксический барорефлекс, которые направлены на ослабление или предотвращение токсического действия экстремальной гипероксии.

Гипероксическая вазоконстрикция. Как показано на рис. 1, первичными мишенями для гипербарического кислорода являются кровь и сосуды. Увеличение парциального давления кислорода в артериальной крови (РаО₂) полностью подавляет генерацию импульсов с хеморецепторов, что приводит к подавлению функции симпатического отдела автономной нервной системы. Данный факт часто используется в экспериментах для выключения кислородных хеморецепторов вместо их химической или хирургической денервации [1]. Повышение РаО₂ вызывает также сужение сосудов во всех органах у человека и животных [2–5]. Гипероксическая вазоконстрикция в меньшей степени выражена в коже, умеренно в кишечнике и отчетливо проявляется в сосудах скелетных мышц [6–8], легких [9], печени [10] и сетчатке глаза [11]. На-ибольший вазоконстрикторный эффект гипероксии наблюдается в миокарде [12, 13] и головном мозге [3].

Вазоконстрикторные эффекты зависят от парциального давления кислорода в дыхательной среде и продолжительности гипероксической экспозиции. Пороговой величиной для вазоконстрикции является ~60% кислорода в нормобарической дыхательной среде [14]. При дальнейшем повышении парциального давления кислорода вазоконстрикция усиливается, но ее продолжительность сокращается. Так, при дыхании кислородом под давлением 3 АТА (абсолютных атмосфер) снижение мозгового кровотока в результате вазоконстрикции у крыс наблюдается около 3 ч, при 4 АТА продолжается до 90 мин, а при 5 АТА выявляется только в первые 30 мин гипероксической экспозиции [3].

Хотя о гипероксической вазоконстрикции известно уже более 100 лет [15], молекулярные механизмы реализации этой сосудистой реакции во многом непонятны [14, 16]. Предполагается, что вазоконстрикция реализуется за счет прямого действия кислорода на сосуды путем изменения проницаемости калиевых и кальциевых каналов в мембране гладкомышечных клеток. В частности, коронарная гипероксическая вазоконстрикция опосредуется закрытием АТФ-зависимых К⁺-каналов [12, 17]. Гипероксия может вызывать вазоконстрикцию также действуя непосредственно на кальциевые каналы L-типа, присутствующие в гладкомышечных клетках сосудов [18]. За все время существования этой гипотезы молекулярный механизм прямого действия кислорода на сократительный аппарат гладкомышечных клеток сосудов не доказан.

Согласно другой гипотезе, гипероксическая вазоконстрикция является результатом опосредованного действия кислорода на один или несколько эндотелиальных факторов, влияющих на сосудистый тонус, таких как эндотелин-1 [19–22] и вазоактивные простагландины [23]. Существование вазоактивных метаболитов в стенке сосудов экспериментально доказано, однако молекулярные механизмы их вазомоторного действия под влиянием ГБО₂ не установлены. После открытия оксида азота (NO) и механизма его действия на сосуды высказана идея о возможности его инактивации с помощью супероксиданионов [24–26]. Согласно этой гипотезе, вазоконстрикция является следствием инактивации эндотелиального NO супероксидными анионами с последующей утратой вазодилататорной компоненты базального сосудистого тонуса [27–29]. Как показали исследования на модели, гипероксия вызывает повышенную продукцию в эндотелиальных клетках и окружающей их среде супероксиданионов, которые кардинально меняют биодоступность оксида азота при реализации им вазомоторной функции [30]. Оксид азота продуцируется в сосудистом эндотелии путем окисления L-аргинина с участием фермента – эндотелиальной NO-синтазы (eNOS). Из-зa большой площади эндотелиальной выстилки сосудов на ее долю приходится более 90% образуемого в организме оксида азота. Скорость синтеза NO в сосудистом эндотелии, измеренная in situ или в культуре, равна примерно 0.8 пмоль/мин/мг клеток, что в пересчете на 1.5 кг имеющихся в организме человека эндотелиальных клеток, составляет примерно 1728 мкмоль/сутки [31]. Данный расчет показывает, что в эндотелии образуется NO в тысячи раз больше, чем пороговая величина для реализации расслабления сосуда, равная 0.3 нM [32]. Установлена гетерогенность eNOS по ходу сосудистого русла: в артериолах она наиболее высока, а в венах существенно меньше [33]. Наблюдаемая неоднородность распределения эндотелиальной NO-синтазы, возможно, объясняет сосудистую специфику констрикции при гипероксии. Так, сокращение сосудов наиболее выражено в артериолах диаметром 15–25 мкм, где относительная плотность eNOS и базальный уровень синтеза NO выше, чем в венах или более крупных артериях [34].

NO является мощным вазодилататором, липофильные молекулы которого свободно проникают из места синтеза в эндотелии в гладкомышечные клетки сосудов, где активируют фермент гуанилатциклазу, вызывая образование циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ). В свою очередь, цГМФ активирует протеинкиназу G, которая, стимулируя кальциевую АТФ-азу сарко/эндоплазматического ретикулума (SERCA), обеспечивает обратный захват цитозольного кальция в саркоплазматический ретикулум. Также цГМФ стимулирует выход кальция из клетки путем открытия активируемых кальцием калиевых каналов. Таким образом, внутриклеточная концентрация кальция снижается и киназа легких цепей миозина перестает фосфорилировать миозин. Результатом это процесса является расслабление гладкомышечных клеток. Благодаря непрерывному синтезу, свободной диффузии и мощной вазоактивной потенции, NO формирует базальную релаксацию сосудов [25, 27].

Сосудистый тонус определяется множеством различных конкурирующих сосудосуживающих и сосудорасширяющих влияний, действующих на кровеносный сосуд. Эти влияния можно разделить на внешние факторы, возникающие вне органа или ткани, в которой расположен кровеносный сосуд, и внутренние факторы, возникающие в самом сосуде или окружающей ткани. Как правило, внешние (нейрогуморальные) факторы, такие как симпатические нервы и циркулирующий ангиотензин II, повышают тонус (т. е. вызывают сужение) сосудов; однако некоторые циркулирующие факторы (например, предсердный натрийуретический пептид) снижают сосудистый тонус. К внутренним факторам относятся миогенный механизм, эндотелиальные факторы (оксид азота, эндотелин). Они также могут снижать или повышать тонус сосуда. Местные гормоны/химические вещества в стенке сосудов (например, метаболиты арахидоновой кислоты, гистамин и брадикинин) могут повышать или понижать тонус. Метаболические побочные продукты или гипоксия обычно снижают тонус сосудов.

Гипероксия и, в особенности, ГБО₂ понижают уровень эндотелиального NО в головном мозге [35, 36]. Наиболее вероятным механизмом снижения эффективной концентрации NO является его инактивация, которая в норме осуществляется посредством химической реакции с молекулярным кислородом, супероксидным анионом, гемоглобином крови, веществами, содержащими металлы переменной валентности, и тканевыми тиолами. В условиях гипероксии концентрация гемоглобина и тканевых тиолов существенно не меняется. Напротив, тканевое рО₂ и концентрация супероксид-анионов возрастают пропорционально уровню гипероксигенации и их реакционные взаимодействия с NO становятся наиболее важными. При реакции NO с кислородом (автоокисление) образуются нитраты и, в меньшей степени, нитриты. В условиях нормального атмосферного давления и концентрации кислорода такая реакция протекает сравнительно медленно и ее определяет короткое время биологической жизни NO. Расчеты показывают, что концентрация NO в тканях могла бы быть около 10 мкМ, если бы существовал только один путь деградации NO через автоокисление [37]. В действительности концентрация NO в норме составляет около 10 нМ, а время биологической жизни при физиологической концентрации кислорода в тканях около 50 с [37]. Однако период полураспада NO существенно снижается, когда концентрация кислорода в тканях повышается, по меньшей мере, в 6 раз. Поэтому автоокисление как механизм снижения эффективной концентрации NO не может быть игнорирован при гипербарической гипероксии, так как рО₂ в ткани мозга при 3–4 АТА кислорода повышается в 15–20 раз [38]. Скорость реакции оксида азота с супероксиданионом почти в 1000 раз больше автоокисления NO [39]. Эта реакция протекает в 3.5 раза быстрее, чем процесс дисмутации супероксида, поэтому время биологической жизни NO в основном зависит от продукции свободного радикала кислорода.

Поскольку eNOS активна постоянно, непрерывная продукция NO формирует базальный дилататорный компонент сосудистого тонуса в противовес вазоконстрикторным миогенным и нейрогенным влияниям. При этом следует отметить также вклад оксида азота, продуцируемого в нервных клетках и нитроергических окончаниях, иннервирующих сосуды, в формирование сосудистого тонуса [30, 40]. Это подтверждается значительным ослаблением гипероксической вазоконстрикции у мышей-нокаутов по eNOS [41] или подавлением синтеза NO путем фармакологического ингибирования эндотелиальной NO-синтазы [3]. Следует добавить также, что дилататорные свойства NO-доноров утрачиваются в условиях гипероксии [35], а гипероксическая вазоконстрикция блокируется у животных с предварительным введением миметика супероксиддисмутазы – ловушки супероксидных радикалов [42]. Повышение экстраклеточной супероксиддисмутазы (SOD3) в мозговой ткани понижает уровень супероксиданионов, сохраняя эндогенно продуцируемый NO на уровне, достаточном для поддержания тонуса и реактивности мозговых сосудов.

Хотя кислород требуется для синтеза NO и гипероксия стимулирует его продукцию в эндотелии, сужение кровеносных сосудов происходит из-за того, что усиленно генерируемые в их стенке супероксидные анион-радикалы связывают (инактивируют) NO, в результате чего снижается его биодоступность и утрачивается NO-опосредованный базальный вазорелаксирующий компонент сосудистого тонуса [43]. Потенциальными источниками продукции супероксида в сосудах служат НАД(Ф)Н-зависимые оксидазы, ксантиноксидаза, липоксигеназа, митохондриальные оксидазы и различные синтазы [44]. Следовательно, гипероксическая вазоконстрикция является следствием утраты NO-опосредованного вазодилататорного компонента базального сосудистого тонуса путем быстрого связывания свободного радикала NO интенсивно генерируемыми супероксид-анионами с образованием пероксинитрита, не обладающего выраженным вазомоторным действием [39].

При гипероксии ограниченное поступление NO к мышцам сосудов приводит к утрате сосудорасширяющей компоненты базального тонуса, в результате чего сохраняются только вазоконстрикторные влияния. Сосудосуживающая реакция значительно усиливается при гипербарической гипероксии в силу более интенсивной продукции супероксид-анионов и соответственно повышенной нейтрализации оксида азота. Следует подчеркнуть, что синтез NO при гипероксии также повышается, поэтому появление и выраженность гипероксической вазоконстрикции зависит от скорости продукции супероксид-анионов и оксида азота и, следовательно, баланса этих свободных радикалов. Нарушение баланса за счет повышенной продукции супероксид-анионов приводит к вазоконстрикции, а его сдвиг в сторону увеличения концентрации NO вызывает вазодилатацию [43].

В 1997 г. был открыт новый механизм вовлечения NO в гипероксическую вазоконстрикцию [45]. Этот механизм основан на способности эритроцитов регулировать доступность NO гладкомышечным клеткам сосудов в зависимости от градиента концентрации кислорода в крови. После синтеза в эндотелии NO диффундирует как к гладким мышцам сосудов, так и в поток крови, где взаимодействует с гемоглобином эритроцитов через высокоаффинные Fe²⁺-связывающие участки гема, образуя нитрозилгемоглобин (FeNO-Hb). Реакции NO с гемоглобином происходят преимущественно в деоксигенированной крови, поэтому уровень FeNO-Hb всегда выше в венозной, чем в артериальной крови [46]. При оксигенации крови в легких часть связанного с гемом NO соединяется с остатками цистеина в бета-цепях гемоглобина (Cysβ93), образуя S-нитрозогемоглобин (SNO-Hb) [46, 47]. Некоторая часть SNO-Hb может образовываться также в результате реакций Hb с низкомолекулярным SNO и со свободным NO в насыщенной кислородом крови левого желудочка и крупных артерий.

Оксигенированная (R) и деоксигенированная (T) формы Hb находятся в динамическом равновесии. Обе формы всегда присутствуют в крови, но их количество изменяется в зависимости от концентрации кислорода и аллостерических факторов, влияющих на сродство Hb к кислороду (pH, углекислый газ и 2,3-бисфосфоглицерат). Синтез SNO-гемоглобина благоприятен в R-структуре (кровь с высоким содержанием кислорода) [48]. SNO-Hb образуется при воздействии на гемоглобин NO, нитритов или низкомолекулярных (LMW) SNO в реакциях, которые часто включают в себя нитрозил железа (FeNO-Hb) [48–51]. NO, связанный с гемовым железом в бета-цепях гемоглобина, переходит на тиолы Cysβ93 при оксигенации (образование SNO-Hb обычно сопровождается продукцией небольшого количества metHb, который обеспечивает окислительно-восстановительное взаимодействие гемового железа (III) NO/CysNO). Эти вновь образованные SNO скрыты глубоко внутри оксигенированной молекулы гемоглобина [48]. Их отсоединение от гемовой группы требует переключения гемоглобина в Т-состояние, после чего группы NO перемещаются от Cysβ93 к тиолам, находящимся в глутатионе и/или мембранном белке эритроцитов AE1 [52, 53]. S-нитрозилированный AE1 и SNO-глутатион могут усиливать выделение NO, вызывая вазодилатацию.

Образовавшаяся группа (SNO-окси Hb) в насыщенной кислородом артериальной крови используется для транспорта NO в микроциркуляторное русло. Прочность связывания NO в составе группы (SNO-окси Hb) зависит от насыщения гемоглобина кислородом. Низкий уровень рО₂ в крови на уровне артериол способствует высвобождению групп NO [48, 54] и, таким образом, прочность комплекса SNO-Hb обратно пропорциональна насыщению гемоглобина кислородом [53].

Реакции NO и его производных (нитрит и низкомолекулярный SNO), взаимодействующих с Hb, важно рассматривать в физиологическом контексте реализации NO-опосредованной гипероксической вазоконстрикции. Было показано, что при трансфузии донорской крови сосуды суживаются [55]. Позднее установили, что эта реакция является результатом захвата эндотелиального NO железом гема гемоглобина донорской крови, что снижает равновесную концентрацию NO в стенке сосуда ниже порога активации гуанилатциклазы и вызывает сокращения кровеносных сосудов [47, 56]. Данный факт послужил основанием для разработки новой технологии гемотрансфузии, основанной на насыщении донорской крови оксидом азота, что предотвращает вазоконстрикцию и усиливает уровень оксигенации скелетных мышц [57] и улучшает восстановление после субарахноидальной геморрагии [58].

Менее известен тот факт, что эритроциты также могут расширять кровеносные сосуды, тем самым увеличивая кровоток [47, 52, 59]. Вазодилатация в значительной степени осуществляется за счет S-нитрозотиолов (SNO), соединений NO, которые локализованы на остатках цистеина бета-цепей гемоглобина (Hb-Cysβ93-NO) или S-нитрозогемоглобина, (RSNO-Hb). Высвобождению NO из комплекса RSNO-Hb благоприятствует дезоксигенированная форма гемоглобина [48, 53]. Отсюда следует, что связывание и высвобождение групп NO из эритроцитов синхронизировано со связыванием и высвобождением ими кислорода. Сосуды сужаются, когда концентрация О₂ в тканях повышается, и расширяются, когда концентрация О₂ падает [48, 53, 60–62]. Регулируя биодоступность NO, тканевую перфузию можно согласовать с метаболической потребностью. Гипероксия и особенно ее гипербарическая форма повышает оксигенацию гемоглобина, что способствует большему захвату NO из эндотелия, но снижению выделения NO из эритроцитов [45]. Оба этих фактора снижают доступность NO гладкомышечным клеткам, что нарушает его баланс в сосудистой стенке и является важным элементом механизма вазоконстрикции.

Совокупность представленных данных свидетельствует, что NO-опосредованный механизм гипероксической вазоконстрикции основан на понижении биоактивности NO в стенке сосуда и периваскулярном пространстве. Такому снижению способствуют, по меньшей мере, три фактора: усиленная продукция супероксиданионов, инактивирующих NO, повышенный захват NO железом гема гемоглобина [47, 56] и блокирование выделения группы NO из SNO-Hb при высоком рО₂ в артериальной крови, что совместно снижает равновесную концентрацию NO в стенке сосуда ниже порога активации гуанилатциклазы и реализует гипероксическую вазоконстрикцию. Важное значение в регулировании биоактивности NO в стенке сосудов и периваскулярном пространстве имеют также уровень нитратов и нитритов в крови [63].

Гипероксический барорефлекс. Нейрогенная регуляция сердечно-сосудистой системы у человека и животных представлена наиболее известным механизмом – артериальным барорецепторным рефлексом. В нормальных условиях артериальное давление достаточно лабильно и быстро меняется в ответ на разнообразные внутренние и внешние стимулы, такие, как появление вазоактивных веществ в крови во время стресса, физическая нагрузка, ортостатические изменения кровообращения и другие. Во всех этих случаях нейрогенный барорефлекс через контролируемые вегетативной нервной системой хронотропные и инотропные реакции сердца и сосудов возвращает острые изменения давления к начальному или близкому к нему уровню. Нормобарическая или гипербарическая гипероксия никогда не рассматривалась в качестве причинного фактора, запускающего нейрогенный барорефлекторный механизм регуляции артериального давления. Между тем известно, что сердечно-сосудистая система человека и позвоночных животных отвечает на гипероксию вазоконстрикторной реакцией, изменениями артериального давления, замедлением сердечного ритма и уменьшением ударного выброса крови за счет понижения сократимости миокарда левого желудочка сердца. Все эти реакции сердечно-сосудистой системы на гипероксию известны давно, но, как правило, изучались раздельно вне связи друг с другом.

Так, гипероксическая вазоконстрикция у человека и животных [3, 4, 64, 65] реализуется с помощью различных механизмов, подробно изложенных выше. Если говорить коротко, в ее реализации принимают участие эндотелий-производные метаболиты: эндотелин, простагландины и продукты метаболизма арахидоновой кислоты с выраженными вазомоторными свойствами [19, 23]. В вазоконстрикцию при гипероксии вовлекается также NO, доступность которого гладкомышечным клеткам снижается за счет его инактивации усиленно генерируемыми при гипероксии супероксиданионами [27, 42, 66]. Другой NO-опосредованный механизм вазоконстрикции основан на блокировании выделения NO эритроцитами артериальной крови [45, 48].

Давно замечено, что артериальное давление при дыхании нормобарическим или гипербарическим кислородом повышается как у человека [4, 67], так и у позвоночных животных [68], однако механизм развития острой гипертензии остается малопонятным. Брадикардия является самой известной реакцией на гипероксию [69]. Она ослабевает у животных при блокаде мускариновых холинергических рецепторов или ваготомии [67, 70]. Спектральный анализ вариабельности пульсового ритма показал, что кислород приводит к замедлению сердечных сокращений через повышение активности парасимпатической системы [70], однако причина возникновения брадикардической реакции остается неясной. Снижение сердечного выброса при гипероксии многократно демонстрировалось и связывалось с брадикардией, хотя понижение сократимости миокарда (уменьшение ударного объема) также не исключалось [71, 72].

Итак, если вазоконстрикцию представить как первичный ответ на гипероксию, приводящую к острой гипертензии, а брадикардию и снижение сердечного выброса – как ответные реакции, тогда все наблюдаемые сердечно-сосудистые реакции можно объединить в единый барорефлекторный механизм регуляции артериального давления при дыхании кислородом [73–75]. Высказанная гипотеза предполагает, что совокупность сердечно-сосудистых реакций, таких, как вазоконстрикция, острая гипертензия, брадикардия и снижение сердечного выброса является отражением единой нейрорефлекторной реакции – гипероксического барорефлекса. Системная вазоконстрикция при гипероксии неизбежно приводит к резкому подъему артериального давления, что, в свою очередь, стимулирует аортальные и каротидные барорецепторы, импульсация от которых интегрируется в головном мозге, а затем по нисходящим эфферентным симпатическим и парасимпатическим волокнам вызывает брадикардию и снижение сердечного выброса (см. рис. 1).

Гипероксический барорефлекторный механизм запускается в первые секунды ингаляции кислородом, поэтому его можно оценить только с помощью непрерывной регистрации артериального давления и показателей сердечной деятельности [74]. Благодаря барорефлекторной реакции артериальное давление возвращается к исходному уровню при умеренной гипероксии, но в случае высокого ГБО₂ гипертензия не компенсируется даже при наличии брадикардии и пониженного сердечного выброса. Барорефлекс в таких случаях “перенастраивается” на более высокий уровень артериального давления, как это наблюдается в случае хронической гипертонии [65]. Такой гипероксический барорефлекс реализуется с участием барорефлексогенных зон аорты и каротидных синусов, исходящих от барорецепторов афферентных нервных волокон и эфферентных симпатических и парасимпатических нервов, регулирующих сосудистый тонус, частоту и силу сердечных сокращений.

Гипероксия снижает симпатическую и повышает парасимпатическую активность вегетативной нервной системы. Триггером сдвига симпато-вагального баланса в гипероксии является повышенная активность барорецепторов и утрата импульсации с периферических хеморецепторов [72]. Установлено также, что усиление афферентной импульсации периферических барорецепторов вызывает в ЦНС стойкое торможение за счет повышения активности ГАМК-ергической системы, на что указывает увеличение уровня ГАМК в головном мозге [65, 73]. Следовательно, релаксирующее действие умеренной гипероксии сходно с эффектами медитации и йоги и, несомненно, дополняет лечебное действие гипербарической оксигенации.

По структурным компонентам гипероксический рефлекторный механизм не отличается от классического барорефлекса, контролирующего быстрые колебания артериального давления. Однако существует несколько особенностей в реализации нейрогенного рефлекса при гипероксии. Во-первых, если в нормальных физиологических условиях триггером барорефлекса является повышение внутрисосудистого давления, вызываемое, в основном, сосудосуживающими симпатическими влияниями [76], то в гипероксии вазоконстрикция реализуется за счет потери (ослабления) NO-опосредованного базального вазодилататорного компонента сосудистого тонуса и не связана с нервными вазомоторными механизмами. Гипероксия вызывает усиленную продукцию в стенке сосудов и периваскулярном пространстве супероксиданионов, которые связывают (инактивируют) эндотелиальный NO, в результате чего утрачивается вазорелаксирующий компонент сосудистого тонуса [27, 42, 66]. Убедительным подтверждением этому является отсутствие гипероксической вазоконстрикции у мышей-нокаутов по эндотелиальной NOS [41].

Во-вторых, если в нормальных условиях исполнительным компонентом барорефлекса является уменьшение периферического сосудистого сопротивления из-за ослабления вазомоторного симпатического тонуса, то в гипероксии механизм снижения артериального давления базируется на вагус-опосредованной брадикардии и снижении сердечного выброса [73].

В-третьих, барорефлекторный механизм в гипероксии понижает возросшее артериальное давление, но полностью не возвращает его к исходному уровню. По всей вероятности, барорефлекс в гипероксии может адаптироваться или “перезапускаться”, как это происходит в условиях хронической гипертензии или после острого гипертонического криза [77]. Такая “перезагрузка” обеспечивает долговременный контроль артериального давления путем изменения афферентных, центральных или эфферентных компонентов артериального барорефлекса [76].

Эффективность или чувствительность барорефлекса, оцениваемая методом, предложенным Stauss [78], при повышенном давлении кислорода 1 и 3 АТА достоверно увеличивается по отношению к аналогичным показателям, полученным на тех же животных при дыхании атмосферным воздухом [74]. При 5 АТА наблюдается 2-фазное изменение чувствительности барорефлекса и соответствующих ему сердечно-сосудистых реакций. В первые 30–40 мин кислородной экспозиции эффективность барорефлекторной регуляции возрастает и отмечается умеренная брадикардия и снижение активности симпатической нервной системы. Продолжение гипербарической оксигенации приводит к развитию второй фазы, характеризующейся острым повышением артериального давления, переключением брадикардии на тахикардию и резким увеличением симпатической активности. В этот период отмечаются положительные хронотропный и инотропный эффекты деятельности сердца, а также значительное увеличение содержания в плазме крови адреналина и норадреналина [74]. Чувствительность барорефлекса сначала снижается, а затем полностью утрачивается на фоне появления кислородных судорог. Следовательно, устойчивость барорефлекса зависит от уровня и продолжительности гипероксического воздействия. При дыхании кислородом под давлением до 3 АТА чувствительность барорефлекса возрастает, что позволяет более эффективно реализовать адаптивные гемодинамические реакции, ограничивающие доставку токсической дозы кислорода в организм. Это выражается в прогрессирующей брадикардии и уменьшении сердечного выброса, связанных со снижением симпатических и увеличением парасимпатических влияний на сердце. Существенный вклад в краткосрочную адаптацию к гипероксии вносит также церебральная вазоконстрикция, благодаря которой уменьшается доставка кислорода в головной мозг и замедляется скорость генерации активных форм кислорода и азота ROS/RNS.

В норме барорецепторный рефлекс регулирует артериальное давление в пределах нормальных значений через петлю отрицательной обратной связи. Изменения артериального давления контролируются рецепторами растяжения, расположенными в каротидном синусе и дуге аорты. Одиночное ядро солитарного тракта, расположенное в сердечно-сосудистом центре продолговатого мозга, получает импульсы от этих рецепторов через афференты языкоглоточного и блуждающего нервов. Сердечно-сосудистый центр мозга состоит из двух функционально различных областей: область, ответственная за повышение артериального давления, расположена латерально и рострально, тогда как область, ответственная за снижение артериального давления, расположена в центре и каудально. Последняя область также интегрирует импульсы от гипоталамуса и лимбической систем, направленные на снижение симпатической активности, что приводит к уменьшению сократительной способности сердца, частоты сердечных сокращений и тонуса сосудов [79]. Кроме того, активация парасимпатической системы еще больше снижает частоту сердечных сокращений и сократительную способность миокарда.

Центральные механизмы реализации гипероксического барорефлекса систематически не изучались, но существуют отдельные данные о причастности центральной адренергичекой [80] и ГАМК-ергической систем мозга к барорефлекторной регуляции гемодинамики в гипероксии. Как показали опыты, активация ГАМК-ергической системы мозга путем блокады ГАМК-транспортеров в синапсах, усиливает эффективность барорефлекторной регуляции при гипероксии через симпатические и парасимпатические пути автономной нервной системы [81]. ГАМК-ергическая система не исчерпывает всех медиаторных систем мозга, вовлекающихся в реализацию гипероксического барорефлекса, и она не является специфической для реализации только гипероксического барорефлекса. Барорефлекс в гипероксии отличается лишь модальностью стимула, повышающего артериальное давление. Все исполнительные механизмы рефлекса такие же, как и при других способах активации барорефлекторной регуляции артериального давления. Вместе с тем ГБО₂, который вызывает вазоконстрикцию, являющуюся триггером рефлекса, вносит определенные особенности в его реализацию. В частности, установлены фазные изменения эффективности гипероксического барорефлекса, зависящие от уровня и продолжительности гипероксического воздействия. При дыхании кислородом под давлением 3 АТА продолжительностью до 3 ч чувствительность барорефлекса сохраняется на более высоком уровне, чем до гипероксической экспозиции, что позволяет более эффективно реализовать адаптивные гемодинамические реакции, ограничивающие доставку токсической дозы кислорода в организм [74]. Эти реакции в виде прогрессирующей брадикардии и уменьшения ударного объема крови обеспечиваются понижением симпатических и увеличением парасимпатических влияний на сосуды и сердечную деятельность. Следовательно, нейрогенно-управляемое снижение сердечного выброса совместно с NO-опосредованной вазоконстрикцией ограничивают доставку кислорода в головной мозг, уменьшают скорость развития окислительного стресса в мозге и отодвигают нейротоксический эффект ГБО₂. Более высокий уровень гипероксии при 5 АТА подавляет гипероксический барорефлекс и существенно сокращает время развития кислородных судорог [74, 82]. Пока не совсем ясно, какие звенья рефлекторной дуги вовлечены в утрату рефлекса при развившихся кислородных судорогах, равно как неизвестны и молекулярные редокс-опосредованные механизмы, ответственные за потерю его чувствительности.

НЕЙРОТОКСИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ГИПЕРБАРИЧЕСКОГО КИСЛОРОДА

Лимитирующим фактором широкого применения ГБО₂ является его токсическое действие на ЦНС, которое в клинике проявляется в виде эпилептиформной активности на электроэнцефалограмме и тонико-клонических нервно-мышечных судорог [83–86]. Ключевая роль в нейротоксическом действии ГБО₂ принадлежит активным формам кислорода (ROS) и азота (RNS), которые в силу своей высокой биологической активности способны поражать различные компоненты клеток мозга, нарушать функционирование нейрональных сетей и инициировать судороги [86, 87].

ROS представляют собой короткоживущие и высоко реакционноспособные молекулы. Генерация ROS в клетках мозга находится в равновесии с имеющейся в организме системой антиоксидантной защиты. Считается, что в низких и умеренных дозах ROS необходимы для регуляции физиологических функций и процессов, таких как клеточный цикл, пролиферация, дифференцировка, миграция и гибель клеток. ROS также играют важную роль в иммунной системе, поддержании окислительно-восстановительного баланса, участвуют в активации различных клеточных сигнальных путей. Избыточный уровень внутриклеточных ROS вызывает повреждение белков, нуклеиновых кислот, липидов, мембран и органелл, что может привести к активации процессов гибели клеток, таких как апоптоз и некроз [88, 89].

Существует две группы экспериментальных доказательств причастности ROS/RNS к развитию кислородных судорог. Во-первых, показано повышенное образование в мозге компонентов ROS – супероксид-анионов (${\text{O}}_{2}^{ - }$), гидроксильных радикалов (ОН^–) и перекиси водорода (Н₂О₂), причем скорость их продукции пропорциональна парциальному давлению вдыхаемого кислорода [85, 90–92]. ГБО₂ также стимулирует в мозге синтез оксида азота [36, 93], который является компонентом пула RNS, а происходящая с высокой скоростью химическая реакция между ${\text{O}}_{2}^{ - }$ и NO приводит к образованию пероксинитрита (ONOO^–), мощного эндогенного оксиданта [39]. Накопление в мозге NO и 3-нитротирозина, маркера ONOO^–, показано у крыс после кислородной экспозиции [94] или непосредственно в кислородной барокамере [93]. Как показали опыты на нокаутных мышах, основным источником NO-опосредованного образования ONOO^– при гипероксии является нейрональная NO-синтаза (nNOS) [41, 95]. Скорость образовании ${\text{O}}_{2}^{ - }$ и NO в мозге различна, поэтому нарушение их баланса является критическим фактором для развития судорожной активности в ГБО₂. Трансгенные мыши с повышенной экспрессией экстраклеточной супероксиддисмутазы (SOD3) показали более высокую восприимчивость к кислородным судорогам, чем обычные мыши, что демонстрирует ключевую роль баланса ${\text{O}}_{2}^{ - }$/NO в нейротоксичности экстремальной гипероксии [96].

Вторая группа фактов свидетельствует о тесной связи между накоплением ROS/RNS и судорожной реакцией ЦНС в ГБО₂. Так, появлению пароксизмальной активности на ЭЭГ предшествует повышение продукции NO и ONOO, а также NO-опосредованного усиления мозгового кровотока [93]. Экспериментальные воздействия, лимитирующие продукцию или утилизацию ROS/RNS, предохраняют от развития кислородных судорог. Так, подавление биосинтеза NO путем системного ингибирования NOS с помощью L-NAME предотвращает появление кислородных судорог [97].

Как показано на рис. 1, участие ROS/RNS в инициировании судорог предполагает наличие в мозге редокс-чувствительных мишеней, воздействие на которые приводит к нарушению электрогенеза нейронов и синаптической передачи. Наиболее вероятная мишень для инициирования кислородных судорог найдена в ГАМК-ергической нейропередаче. Установлено, что ГБО₂ ингибирует синтез ГАМК в мозге, что приводит к ослаблению тормозной нейропередачи с последующим сдвигом баланса процессов возбуждения и торможения в ЦНС [85, 98]. Доказательством этому является снижение ГАМК в межклеточной среде мозга крыс, зарегистрированное in vivo во время ГБО₂-экспозиции с помощью микродиализа, сопряженного с высокоэффективной жидкостной хроматографией [98]. Установлено, что причиной уменьшения внеклеточной ГАМК в ГБО₂ является понижение активности глутаматдекарбоксилазы (GAD), катализирующей синтез тормозного медиатора в нервных клетках [99]. Если ROS/RNS угнетают синтез ГАМК в ГБО₂ путем инактивации GAD, возникает вопрос о молекулярном механизме повреждения. Короткий латентный период появления кислородных судорог при высоких значениях ГБО₂ позволяет исключить из рассмотрения синтез биомолекул de novo через генную экспрессию и оставить только две возможные реакции взаимодействия: окисление липидов и посттрансляционную модификацию белков. Атака ROS на жирные кислоты мембраны нервных клеток может заканчиваться полимеризацией последних, приводящей к нарушению ионных механизмов генерации вызванных потенциалов нейронов. Белки, представленные в ферментах, рецепторах, ионных каналах и транспортерах нейромедиаторов, содержат в своем составе аминокислоты, концевые остатки которых легко поддаются окислению или нитрозилированию при действии ROS/RNS. Особое внимание привлекает реакция белков, содержащих цистеин, с оксидом азота (S-nitrosilation). Показано, что угнетение ферментативной активности GAD в ГБО₂ происходит за счет ее S-нитрозилирования – присоединения группы оксида азота к тиоловым остаткам цистеина внутри белка-фермента [99]. Снижение ферментативной активности в ГБО₂ при 5 АТА наблюдается также у глутаминсинтетазы, катализирующей катаболизм глутамата [100]. Однако ГАМК-трансаминаза, участвующая в деградации тормозного нейромедиатора, и ГАМК-транспортеры, обеспечивающие удаление тормозного нейромедиатора из синаптической щели, не теряют своей активности в гипербарической кислородной среде [81, 99]. К указанным ферментам – мишеням для ROS/RNS следует добавить также мембранную Nа/K-ATФазу, обеспечивающую активный трансмембранный транспорт ионов в нервных клетках при генерации электрических потенциалов.

Кислородные судороги, возникающие из-за угнетения синтеза ГАМК, могут быть предотвращены путем увеличения уровня медиатора в синаптическом пространстве с помощью фармакологических препаратов, таких как вигабатрин [101]. Недавние исследования показали, что ингибиторы ГАМК-трансаминазы и ГАМК-транспортеров, вигабатрин и тиагабин соответственно, повышают концентрацию ГАМК-медиатора в головном мозге и предотвращают развитие кислородных судорог [81, 102]. Следовательно, при подавлении синтеза ГАМК в ГБО₂ замедление клиренса медиатора из синапсов или ослабление его разрушения могут повысить концентрацию тормозного медиатора до уровня, достаточного для реализации полноценной ГАМК-ергической функции и, тем самым, предотвратить развитие судорожного синдрома. Поэтому вполне оправдано использование противоэпилептических препаратов для предотвращения развития гипербарических кислородных судорог при экстремальной гипероксии [103].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При нормальных условиях в здоровом организме продукция и клиренс ROS хорошо сбалансированы. Дыхание гипербарическим кислородом смещает этот баланс в сторону увеличения количества ROS, которое выходит за пределы возможности системы антиоксидантной защиты и способствует развитию окислительного стресса. Однако не всякий оксидативный стресс вреден для функционирования физиологических систем. Увеличение активности молекулярных процессов может возникать при усилении окислительного стресса, хотя невозможно точно охарактеризовать его параметры. Примером сказанному может служить усиление биогенеза митохондрий в головном мозге крыс после их экспозиции в экстремальной гипероксической среде [104, 105]. Другим примером является усиление регуляции функций ионных каналов при повышенной продукции ROS [106]. Выявлено существенное подавление нейронального апоптоза после сеансов гипербарической оксигенации [107, 108]. Известно также, что во время физических упражнений, индуцирующих выработку ROS, происходит активация специфических антиоксидантных ферментов, таких как SOD, и усиление их влияния на функцию печени [109], наблюдается также и улучшение функций верхних конечностей после экспозиции в ГБО₂ [110]. В последние годы неоднократно продемонстрировано существенное улучшение состояния пациентов с ишемическими поражениями мозга после нескольких сеансов гипербарической оксигенации [111–113].

Идея о том, что воздействие небольшой дозы опасного вещества или фактора может вызвать благоприятную биологическую реакцию давно известна, получила название “гормезис” и является характеристикой многих биологических процессов, а именно двухфазной реакцией на воздействие возрастающих концентраций вещества или фактора среды [114]. В пределах гормезисной зоны биологическая реакция на низкое воздействие стрессора, как правило, благоприятна, а в большей дозе наблюдается токсический эффект.

ГБО₂ относится к терапевтическим веществам и, как многие лекарственные препараты, может оказывать физиологическое и токсическое действие. Биологические эффекты зависят от скорости продукции и продолжительности влияния ROS/RNS, определяемых величиной парциального давления вдыхаемого кислорода [115]. Основным терапевтическим эффектом ГБО₂ является устранение дефицита кислородного снабжения тканей для обеспечения полноценного уровня окислительного метаболизма. Дополнительно к этому, умеренная гипероксия вызывает физиологические реакции, усиливающие терапевтическое действие кислорода. Кроме того, ROS и RNS участвуют в каскадах и путях активации различных факторов роста, мобилизации стволовых клеток [116], удлинении теломер хромосом [117] и других молекулярных процессах, определяющих лечебный эффект ГБО₂. Высокий уровень продукции ROS/RNS токсичен для клеток, особенно для нейронов мозга. Клеточные мишени для действия ROS/RNS локализуются в местах продукции этих редокс-молекул, а биохимическое взаимодействие приводит к посттрансляционным изменениям структуры белков, приводящих к нарушению или полной утрате их функции. Нарушения нейропередачи, приводящие к развитию кислородных судорог, становятся понятнее при использовании фармакологических средств с известным механизмом действия. К ним относятся противоэпилептические препараты, допущенные и широко используемые в лечении заболеваний, в патогенезе которых присутствует повышенная судорожная готовность. Их тестирование на животных подтвердило высокую эффективность для предотвращения гипербарических кислородных судорог [118], что открывает перспективу трансляции результатов в практику использования ГБО₂ в медицине и при подводных погружениях.