В здоровом теле - здоровый выдох!
Из всех явлений жизни нет
более поразительного
и более заслуживающего
внимания физиков и физиологов,
чем явления, сопровождающие дыхание.
А.Лавуазье
Кандидат медицинских наук
В.А. Скрупский
Что нового ожидает пациентов МО века в диагностике болезней? Эта область медицины в уходящем столе тии развивалась очень бурно. Одно из ее важнейших направлений - неинвазивная диагностика, при которой не нужно прокалывать кожу пациента и брать его кровь. В этой статье рассказывается об одной ее разновидности - анализе выдыхаемого воздуха
Анализировать выдыхаемый воздух чрезвычайно просто - не нужны химические реактивы, пробирки, одноразовые иглы и лаборантка, мучающая ваш палец или локтевую вену. Надо только сделать выдох в специальное устройство, и через несколько секунд или минут анализ готов. Перспективность неинвазивного направления в диагностике заболеваний очевидна - не придется испытывать боль и другие неприятные ощущения от забора крови, зато будет обеспечена полная безопасность от заражения СПИДом, вирусным гепатитом и другими инфекциями, да и средства удастся сакономить.
Медицина вплоть до ХХ века была в основном созерцательно-описательной наукой. Инструментальные методы исследования стали применять в ней намного позже, чем в естествознании. Нам, уже привыкшим к рентгеновским аппаратам и электрокардиографам, кажется странным, что в начале нашего века врачи не могли распознать рак легкого или инфаркт миокарда при жизни больного.
Сейчас медикам известно более 10 тысяч разных болезней и более 3 тысяч симптомов и синдромов. Многие из них сходны. О том, как непросто поставить правильный диагноз, особенно в критической ситуации, знают все врачи, а о том, что иногда это необходимо сделать быстро, до сих пор напоминает старая могильная плита на одном из кладбищ Рима: "Он умер от замешательства врачей".
Прежде чем поставить заключительный диагноз, врач не только опрашивает и осматривает пациента, но и направляет в лабораторию - сдать анализы крови, мочи, электрокардиограмму и т.д. Но до сих пор в обычных поликлиниках и больницах никто не направляет больных на ана лиз выдыхаемого воздуха. О том, что он возможен и полезен для диагностики, не слышали даже сами врачи.
Кажется странным, почему этот легко доступный для анализа материал долгое время оставался без должного внимания медиков, физиологов, биологов. В нашей статье речь, конечно, не идет о показателях объема легких, потреблении кислорода и выделении углекислого газа легкими, хотя эти исследования давно уже проводятся и помогают в диагностике за болеваний. Мы говорим о самом выдыхаемом воздухе, его химическом составе, о летучих веществах, выделяемых из организма человека через легкие.
Благодаря большой поверхности легких (около 90 м2) летучие вещества (этанол, аммиак, ацетон, уксусная кислота, фенолы и другие) очень быстро переходят из кровяного русла во внешнюю среду с выдыхаемым воздухом. Именно смесь различных молекул, выделяемых человеком, и составляет тот индивидуальный, неповторимый запах, по которому чуткий нос собаки фантастически точно находит своего хозяина из миллионов двуногих существ.
По запаху же умели распознавать некоторые болезни древние целители. Запах больного тифом похож на аромат черного свежего хлеба, от больного золотухой пахнет прокисшим пивом. Известный в прошлом клиницист М.Я.Мудров наставлял молодых медиков: "Обоняние твое да будет чувствительно не к масти благовонной для влас твоих, не к ароматам, из одежды твоей испаряемым, кои все противны больным, но к запертому и зловонному воздуху, окружающему больного, к заразительному его дыханию, поту и всем его извержениям". В наше время этот ме тод исследования больного назвали бы органолептическим. В целом ряде случаев он позволяет у постели больного поставить правильный диагноз. Сладковатый "печеночный запах" выдыхаемого воздуха обусловлен нарушением обмена ароматических соединений и накоплением продукт превращения метионина - метилмеркаптана. Этот запах сырой печени часто мучительно преследует больныж раком поджелудочной железы и может быть одним из первых симптомов этого недуга. Характерен запах аммиака в выдыхаемом воздухе при заболеваниях почек и уремии, "мышиный запах" у больных наследственной фенилкетонурией, запах кленового сиропа при нарушении метаболизма жирных кислот и накоплении кетокислот и аминокислот в крови и моче, запах ацетона у больных сахарным диабетом. Резкий специфический запах изо рта - симптом ряда заболеваний полости рта и желудка; (стоматит, пародонтоз, сиалоаденит, гингивит, гастрит, язвенная болезнь и рак желудка). При сердечно-легочной недостаточности от больных часто исходит неприятный кисловатый запах недоокисленных продуктов обмена, связанный с неполным сгоранием белков, жиров и углеводов в главной энергетической топке - печени. При высокой лихорадке, как отмечал еще С.П.Боткин, "...окисление хотя и увеличено, но дает много ( продуктов не вполне окисленных, иначе говоря, промежуточных химических веществ, составляющих переход между тканями и жидкостями организма и продуктами их окончательного окисления: водой, угольной кислотой, мочевиной, мочевой кислотой и другими".
Больному могут досаждать не только реальные, но и мнимые запахи. При некоторых невротических состояниях люди с богатой фантазией могут предъявлять жалобы на периодически преследующие их запахи ацетона, духов, краски и т.д., хотя на самом деле от них не пахнет ничем. Но бывает и так, что необычный постоянный запах - единственная жалоба больного - это грозный симптом растущей опухоли передних отделов мозга. Сами больные часто не замечают запахов своего тела, так как обоняние у них угнетено, однако окружающим их здоровым людям выдыхаемые испарения сильно ударяют в нос.
Но как бы ни был чувствителен нос человека или животных к запахам - это все-таки лишь ощущение. Если, например, насекомое и уловит в 1 см3 воздуха 100 молекул полового феромона, непосредственно измерить это нельзя. Создание приборов, способных распознавать рекордно малые концентрации веществ и "догнать обоняние собаки", П.Л.Капица считал одной из важнейших проблем физики будущего. Уже сейчас чувствительность спектральных и физико-химических методов исследования отдельных классов соединений приближается к обонянию собаки. А такие вещества без запаха, как окись углерода (угарный газ) или углекислый газ, приборы распознают намного лучше.
В зависимости от уровня основного обмена человек выделяет через легкие в среднем около 5 - 18 л СО, и 50 г воды в час. А с ними - около 400 микропримесей летучих соединений. Поэтому любое летучее вещество, которое количественно определяется в выдыхаемом воздухе, можно использовать как биологический маркер состояния организма.
Как же образуется многокомпонентная газовая смесь, которая скапливается сначала в альвеолах легких? Если рассматривать живой организм как идеальную экологически чистую фабрику, куда поступают сложные пищевые комплексы и где все идет в дело, то он должен выбрасывать в воздух только СО, и пары Н2О. Если же в выдыхаемом воздухе обнаруживается много побочных летучих веществ, значит, на этой фабрике где-то халтурят. Надо искать причину либо в поступающих продуктах питания (источниках образования летучих веществ), либо в цехах переработки (внутренних органах), либо в транспорте (крови, сосудах, органах выделения). Отсюда следует, что по результатам исследования выдыхаемых человеком летучих веществ можно судить о характере питания - хватает ли в рационе углеводов, нет ли избытка жиров, и много ли человек "принял на грудь", если он злоупотребляет алкоголем. По избытку или недостатку какого либо химического компонента в спектре выдыхаемого воздуха можно предположить также наследственную ферментопатию (ущербность или отсутствие каких-то ферментов организма), заболевание печени, легких, почек, кишечника, центральной нервной системы, эндокринной системы, органов кроветворения.
Чтобы получить хорошо воспроизводимые результаты анализа выдыхаемого воздуха, есть несколько путей. Можно сконцентрировать микропримеси летучих веществ из выдыхаемого воздуха в сотни или тысячи раз и затем определять на приборе с пределами обнаружения 10-5 - 10-4 г. Этот диапазон чувствительности доступен многим средним газовым хроматографам, и с их помощью собран уникальный фактический материал по составу выдыхаемого человеком воздуха.
Если же обходиться без концентрирования, надо повысить чувствительность детектора до предельных возможностей - 10-8 - 10-9 г. На это способен газовый хроматограф с масс селективным детектором, или хромато-масс-спектрометр.
Наконец, можно сосредоточить основное внимание на нескольких компонентах выдыхаемого воздуха, а не на всем спектре летучих веществ. Тогда нужно выбрать селективный детектор для интересующей врача группы веществ или только для одного вещества.
Автор этой статьи при анализе выдыхаемого воздуха у больных с инсультами в острой стадии и у нескольких больных при лечебном голодании использовал именно такой путь. Удалось также провести длительное мониторное наблюдение за выделением этанола и ацетона в выдыхаемом воздухе у больных, находящихся в коме. Как оказалось, при инсульте с не благоприятным исходом у больных выделяется намного меньше ацетона, чем у здоровых людей. В то же время диабетики, также впавшие в кому, выдыхают в десятки и сотни раз больше ацетона, чем здоровые.
Возможности физико-химических исследований газовой фазы не ограничиваются анализом выдыхаемого воздуха. Ведь можно собирать и изучать пробы внутренних полостных газов: из разных участков бронхов при бронхоскопии, из желудка при гастроскопии, из толстой кишки при колоноскопии, из мочевого пузыря при цистоскопии, из полости матки при гистероскопии.
В некоторых клинических и научно-исследовательских лабораториях России, США, Швеции пациента помещают в цилиндрическую гермокамеру, пропускают через нее воздух, а на выходе определяют в этом воздухе суммарную величину летучих выделений человека. Из более чем 400 соединений вырисовывается индивидуальный метаболический профиль больного.
К наиболее изученным летучим веществам, выдыхаемым человеком, относятся ацетон и этанол. По данным автора статьи, проводившего анализ летучих эндогенных соединений на газовом хроматографе с фотоионизационным детектором, у больных сахарным диабетом, сердечно-сосудистой патологией, у детей с бронхиальной астмой, диатезом, у беременных женщин при токсикозах первой половины беременности содержание ацетона и этанола значи тельно отличается от здоровых лиц в контрольной группе (см. таблицу).
Интересно, как изменяется выделение ацетона у здоровых людей, находящихся на полном голодании. За первые 4 - 5 суток оно увеличивается в десятки раз, а на 8 - 10 сутки у некоторых испытуемых содержание ацетона в выдыхаемом воздухе резко падает. Это можно расценить как сигнал к прекращению голодания из-за начавшейся декомпенсации и опасности необратимой дистрофии внутренних органов. Если бы медикам, которые наблюдают за голодовками протеста, дать портативные приборы, измеряющие содержание ацетона, смертей было бы меньше.
Как показывает история, инструментальные методы исследования внедрялись в медицину не сразу. Пожалуй, только рентгеновские лучи быстро стали популярными. Гораздо медленнее входили в арсенал врачей стетоскоп Р.Лаэннека, токи Бергера - отца электроэнцефалографии. Как бы ни был талантлив ученый, иногда лишь точная аппаратура дает ему возможность получить хорошие результаты. Так, в 20-х годах уходящего века австрийский психиатр Ганс Бергер сумел выделить из хаоса сигналов головного мозга человека регулярные волны ничтожной амплитуды, и родилась электроэнцефалография. Может быть, пройдет совсем немного времени, и будут созданы доступные каждой лаборатории высокочувствительные анализаторы выдыхаемого воздуха. Они позволят заглянуть в биохимическую фабрику живого организма и поставить правильный диагноз практически на молекулярном уровне. Тогда обычный врач поликлиники будет направлять пациентов на анализ выдыхаемого воздуха, как сейчас направляет на анализ крови.