Фармакологические вмешательства

Более глубокое понимание патофизиологии нейронального по­вреждения дает надежду на успешное использование фармаколо­гической защиты при кардиохирургических вмешательствах в усло­виях искусственного кровообращения. Необходимость применения неиропротекторов на всех этапах кардиохирургических операций обусловлена большим числом факторов, которые могут поражать центральную нервную систему как интраоперационно, так и в пос­леоперационном периоде. В настоящее время нет единой точки зрения на профилактическую нейропротекцию в кардиохирургии, хотя выбор препаратов достаточно широк [155, 158]. За исключе­нием некоторых препаратов для анестезии, многие прототипы ней-ропротективных препаратов первоначально были использованы для лечения инсультов. Многочисленные наблюдения за тем, что неко­торые барбитураты могут уменьшать метаболические потребнос­ти головного мозга, способствовали проведению исследований по их нейропротективному потенциалу. В 1986 году были впервые представлены результаты применения барбитуратов для нейропро-текции [137].

Барбитураты угнетают ядра ретикулярной формации ствола головного мозга и вызывают седативный и снотворный эффект. Ме­ханизм их действия связывают в настоящее время с торможением передачи нервных импульсов за счет блокады K/Na-насосов на уров­не пре- и постсинаптических мембран нервных клеток. Возбуди­мость нейронов понижается вследствие стабилизации потенциала клеточных мембран, причем потребление О₂ головным мозгом па­дает на 20-30% за счет уменьшения функциональной активности и угнетения окислительных процессов нейронов. Нейропротектив-ное действие барбитуратов включает в себя угнетение метаболиз­ма ГМ, уменьшение отека, образования свободных радикалов и выброса возбуждающих нейротрансмиттеров [11, 103]. Экспери­ментальные данные указывают на то, что терапия барбитуратами улучшает исход на моделях неполной ишемии [120], однако эффек­тивность их использования для защиты головного мозга во время ИК не была доказана. В 1982 году было исследовано влияние тиопентала (15 мг/кг) на степень неврологической дисфункции у 204 кардиохирургичес­ких пациентов [180]. Хотя результаты и показали лучшую защиту головного мозга при применении тиопентала, различия между груп­пами были недостоверными. Подобное исследование из Институ­та сердца в Техасе включало 182 пациента, оперированного на от­крытом сердце [137]. Неврологическая оценка этих пациентов на 10-й день после операции выявила отсутствие неврологического дефицита в обследуемой группе, тогда как в контрольной группе частота неврологических осложнений составила 7,5%. Это было первое исследование, которое продемонстрировало эффективность барбитуратов в нейропротекции в клинической практике [121].

Большое исследование нейропротективного действия барби­туратов было проведено в 1991 году [203]. Триста пациентов, опе­рированных в условиях гипотермического ИК (28 °С) по поводу ишемической болезни сердца (ИБС), были разделены на две груп­пы: в первую вошли больные, которым на протяжении всего ИК вводился тиопентал для получения электрического молчания на ЭЭГ, вторая группа была контрольной. Оценка неврологического статуса проводилась на 2-й и 5-й день после операции. В обследу­емой группе больных отчетливый нейропротективный эффект ти­опентала не был достигнут, кроме того, пациенты в этой группе требовали более высоких доз инотропной поддержки, чем в конт­рольной [137].

При внедрении в широкую клиническую практику пропофола неизбежно встал вопрос о его нейропротективных свойствах у кар­диохирургических пациентов. Механизм действия пропофола, как и большинства средств для внутривенной анестезии, до конца не известен. Предполагается, что на фоне его введения идет подав­ление у-аминомасляной кислоты (ГАМК) - медиаторной передачи в высших отделах ЦНС. Пропофол уменьшает мозговой кровоток, потребление кислорода головным мозгом, одновременно повыша­ет мозговое сосудистое сопротивление без воздействия на сосуди­сто-мозговую реактивность в ответ на изменения РаСО₂. Влияние пропофола на метаболические потребности головного мозга и це­ребральный кровоток сходно с таковым тиопентала [44].

При оценке влияния пропофола на церебральный кровоток и метаболизм головного мозга было выявлено, что он может играть роль в уменьшении эмболизации сосудов ГМ вследствие уменьше­ния мозгового кровотока [133]. Однако вызываемое пропофолом «электрическое молчание» на электроэнцефалограмме (ЭЭГ) при операциях на открытом сердце не всегда уменьшает частоту и тя­жесть неврологических и нейропсихологических расстройств [157].

Изофлюран при вдыхаемой концентрации от 2 до 3% (1,5-2,0 MAC) также вызывает «электрическое молчание» на ЭЭГ. В от­личие от внутривенных анестетиков, супрессия ЭЭГ изофлюраном не сопровождается уменьшением церебрального кровотока, хотя потребление кислорода уменьшается значительно. Изофлюран, по сравнению с анестезией закисью азота и фентанилом, значительно уменьшает ишемически-индуцированный выброс глутамата в гип-покампе. Этот эффект анестетика сравним с эффектом поверхнос­тной гипотермии [143].

Изучение блокаторов кальциевых каналов в кардиохирургии также представляет значительный интерес. Исследования нимодипина, L-изомера блокаторов кальциевых каналов, показали эффек­тивность нейропротекции у больных с субарахноидальными крово­излияниями [145], но не у больных с травмой головы. Из всех неиропротсктивных агентов, эффективных в эксперименте, только кальциевые блокаторы широко применяются в кардиохирургии. Внутриклеточное накопление кальция - один из основных факто­ров, ведущих к смерти клетки при церебральной ишемии. Блокато­ры кальциевых каналов показали в эксперименте свою действен­ность в плане ограничения ишемического повреждения [25, 88]. Эти препараты также эффективны для лечения ишемического инсуль­та у людей [75]. У кардиохирургических пациентов, получавших нимодипин, в послеоперационном периоде отмечалось улучшение нейропсихологического статуса [66]. Однако малое количество па­циентов не позволило сделать более определенных выводов о вли­янии нимодипина на частоту неврологических осложнений.

Представляют большой практический и научный интерес ре­зультаты проспективного двойного слепого рандомизированного ис­следования, опубликованные в 1996 году [109]. Нейропротективная эффективность нимодипина исследовалась у 400 пациентов при ре­конструктивных операциях на клапанах сердца, но была прекраще­на после обследования 150 больных из-за большей смертности в группе с применением кальциевого блокатора. При окончании ис­следования в группе с применением нимодипина летальность соста­вила 10,7%, а в контрольной группе - 1,3%. Кроме того, частота кро­вотечений в первой группе составила 13,3 и 4,1% в контрольной. При этом достоверных различий в частоте неврологических ослож­нений между группами выявлено не было. Авторы объясняют бо­лее высокую частоту осложнений и смертности при использовании нимодипина кровотечениями, возникшими из-за вазодилятирующе-го и антиагрегационного действия препарата. Принимая во внима­ние результаты проведенного исследования, в будущем будет слож­но оправдать другое большое клиническое испытание блокаторов кальциевых каналов для защиты головного мозга в кардиохирургии.

Системный воспалительный ответ, возникающий при операци­ях в условиях искусственного кровообращения, сопровождается выбросом цитокинов в ответ на активацию коагуляции, фибринолиза и комплемента. Было показано, что бычий ингибитор протеаз - апротинин, значительно уменьшает интра- и послеоперационную кровопотерю и потребности в переливании препаратов крови. Не­смотря на ранние исследования о повышении риска периопераци-онного инфаркта миокарда [51], было показано, что использование апротинина уменьшает частоту неврологических осложнений при операциях в условиях искусственного кровообращения [181] в свя­зи с его противовоспалительными свойствами.

Указания на то, что продукция свободных радикалов, которая имеет место при ИК [92] и церебральной ишемии [48], дают воз­можность предположить нейропротективную роль ловушек свобод­ных радикалов во время операций в условиях искусственного кро­вообращения [42].

В свете научных данных о роли возбуждающих нейромедиа-торов в патогенезе повреждения головного мозга при проведении ИК применение блокаторов NMDA-рецепторов весьма перспектив­но. Единственное место локализации NMDA-рецепторов - голов­ной и спинной мозг, что позволяет избежать отрицательного воздействия специфических препаратов на сердечно-сосудистую сис­тему. Экспериментальные исследования подтвердили эффектив­ность превентивного назначения антагонистов NMDA-рецепторов во время проведения ИК и полной глубокой гипотермической оста­новки кровообращения [29, 164]. Было показано, что конкурентный антагонист глутаматных рецепторов, ремацемида гидрохлорид, улучшает нейропсихологическую функцию в проспективном, рандо­мизированном, двойном слепом исследовании пациентов после опе­рации аортокоронарного шунтирования в условиях ИК [18]. По срав­нению с контрольной группой, пациенты, получавшие ремацемид, показали лучшее выполнение трех из десяти нейропсихологических тестов. К неспецифическим блокаторам NMDA-рецепторов отно­сятся кетамин и магний, которые широко используются в клиничес­кой практике.

Кортикостероиды известны в кардиохирургии более 40 лет, но, хотя подходы к их применению менялись несколько раз, механизм их действия до настоящего времени окончательно не определен. Это же касается и дозы вводимых гормонов. Первоначально сте­роиды назначались исходя из их гемодинамического эффекта - ва-зодилятации и увеличения емкости венозного русла при лечении синдрома низкого сердечного выброса после операций в условиях искусственного кровообращения. В конце 1960-х годов были пред­ставлены данные о мембрано-стабилизирующем эффекте на лизо-сомальные мембраны [151]. Было показано, что введение стерои­дов в начале искусственного кровообращения препятствует избыточной вазоконстрикции и улучшает перфузию тканей, что в конечном итоге уменьшает сроки пребывания больных в отделе­нии интенсивной терапии после операции. Позднее было обнаруже­но, что применение стероидов потенцирует защиту миокарда за счет ингибирования фосфолипаз [61].

С развитием молекулярной биологии были описаны противо­воспалительные эффекты стероидов. Стероидные гормоны умень­шают образование провоспалительных цитокинов, TNF-a, IL-1|3, IL-6 и 1L-8 [99, 191]. Кроме того, стероиды усиливают продукцию противовоспалительного цитокина 1L-10 [188]. Теоретически, уменьшение воспалительной реакции во время ИК при назначении стероидов должно улучшать течение послеоперационного периода, но на практике это не всегда подтверждается. Отрицательные эф­фекты назначения стероидов заключаются в выбросе эндотокси­нов во время ИК; ухудшении толерантности к глюкозе; увеличении числа инфекционных осложнений; замедлении заживления ран и уве­личении сроков искусственной вентиляции легких (ИВЛ) [80, 188].

Сведения о нейропротективном действии стероидов при про­ведении искусственного кровообращения немногочисленны и про­тиворечивы. По экспериментальным данным одних авторов [177, 178], системное введение стероидов уменьшает проницаемость сосудов головного мозга и способствует церебропротекции, по дан­ным других [169] - запускает процессы запрограмироваиной гибе­ли нервных клеток после операций в условиях глубокой гипотерми­ческой остановки кровообращения. Ряд других фармакологических средств, способных ингибировать ишемическое повреждение, еще не прошел клинических исследований в кардиохирургии. Эти пре­параты включают аминостероиды [83] и вещества, действующие на образование оксида азота [192] и блокирующие адгезию лей­коцитов.

Исследования последних лет продемонстрировали, что воспа­лительные цитокины усугубляют ишемическое повреждение [20, 57]. В кровеносном русле ишемизированной ткани происходит аг­регация лейкоцитов, которая ведет к эндотелиальной дисфункции и дальнейшему повреждению. Выявление рецепторов, ответственных за адгезию лейкоцитов к эндотелию, дало толчок к разработке спе­цифичных моноклональных антител к этим рецепторам [76, 142]. Моноклинальные антитела к молекулам адгезии показали свою эф­фективность в экспериментальных работах по транзиторной фо­кальной ишемии [47, 127]. Кроме того, олигосахариды и олигопептиды, имеющие структурное сродство к связывающим рецепторам эндотелия, конкурентно ингибируют адгезию лейкоцитов [123]. При­менение этих олигосахаридов может уменьшать реперфузионное повреждение сердца и легких [34] и блокировать адгезию лимфо­цитов к эндотелию миокарда в эксперименте [195]. Таким образом, проведенные предварительные исследования указывают на то, что новые фармакологические агенты весьма эффективны в плане защиты головного мозга и в будущем могут быть использованы в кардиохирургии.

В конечном итоге, выживаемость нейронов головного мозга зависит от блокады или уменьшения интенсивности ишемических каскадов, запускаемых повышением внутриклеточного кальция и ведущих к гибели клеток. И, хотя в последние годы достигнуты большие успехи в понимании молекулярных механизмов ишемичес­кого повреждения головного мозга, многие важные проблемы ос­таются нерешенными. Как только будут выделены гены и их про­дукты, ответственные за ишемическую гибель нейронов, все силы исследователей будут направлены на разработку специфической терапии для предотвращения гибели и улучшения репарации ней­ронов. До этого времени будет необходимо применение терапевти­ческого «коктейля» для воздействия на отдельные звенья патоге­неза (активацию комплемента, воспаление, реперфузионное повреждение, вазоконстрикцию, свободные радикалы) ишемичес­кого повреждения нейрональной ткани.

Церебральный метаболизм при гипотермии

Согласно современным представлениям, защитный эффект гипотермии основан на увеличении толерантности всех органов и систем организма к кислородному голоданию, которое возникает при выключении кровообращения. Фундаментальный эффект гипо­термии заключается в прогрессивном снижении движения молекул [150]. Это связано с действием холода на скорость метаболичес­ких процессов, подчиняющихся закону Ван-Гоффа-Аррениуса, ко­торая определяется активностью многих ферментных систем. Вза­имосвязь между активностью ферментов при температуре t_] и их активностью при температуре t₂ описана уравнением Ван-Гоффа (van't Hoff): где Q - это коэффициент Вант-Гоффа, рассчитываемый на каж­дые 10 °С изменения температуры, а &, и к₂ - скорости реакций при абсолютных температурах t_l и t₂ [183]. Таким образом, если фермент имеет Q_l0, равный 2, то его скорость реакции будет умень­шаться наполовину на каждые 10 °С снижения температуры. У взрослого человека Q приблизительно равен 2,2 [136], а у де­тей он составляет 3,7. Поэтому защитный эффект гипотермии, при одинаковой температуре, у детей намного сильнее, чем у взрослых. Более выраженное снижение метаболизма у молодых пациентов может быть связано с особой чувствительностью незрелых ней­ронов и глиальных элементов к гипотермии или может отражать более низкую массу мозга и эффективное охлаждение.

В то время как церебральный кровоток уменьшается в линей­ной зависимости от температуры головного мозга, его метаболизм уменьшается экспоненциально [78, 119]. В соответствии с изложен­ными выше обстоятельствами гипотермия оказывается ключевой стратегией, применяемой для уменьшения ишемического повреж­дения органов и тканей. Протективное действие гипотермии на мозг от ишемического повреждения характеризуется рядом меха­низмов, включающих сохранение запасов высокоэнергетических фосфатов, предотвращение выброса возбуждающих нейротранс-миттером, ограничение проницаемости мембран и предотвращение входа кальция в клетку. При гипотермии значительно уменьшает­ся мозговой кровоток, потребность мозга в кислороде, макроэргических соединениях, менее выражена интоксикация мозга продук­тами промежуточного обмена, свободными радикалами [22, 94, 98, 105, 106, 107, 202], снижается синтез белков [4] и замедляются про­цессы его распада [9].

Основную особенность клеток головного мозга составляет сочетание высокого уровня метаболической активности и низкого запаса кислорода, небольшого резерва высокоэнергетических фос­фатов и карбогидратов [14, 168]. Ряд авторов исследовал защит­ное действие гипотермии путем измерения запасов высоко энерге­тических фосфатов с помощью ЯМР с фосфором [136]. Было показано, что, в то время как запасы АТФ быстро истощались при нормотермии, уровень АТФ при глубокой гипотермии был постоян­ным (15-20 °С). При гипотермии уровень активности Na-K-АТФ-азы и Са-АТФ-азы значительно замедлены. Сокращена утилизация АТФ и фосфокреатина, сохранен ионный гомеостаз.

Уровень АТФ, при котором происходит потеря ионного гомео­стаза, до настоящего времени еще не определен. Выявлено, что в результате 25-минутной глубокой гипотермической остановки кро­вообращения значительно снижается содержание креатинфосфата, в то время как запасы АТФ в изолированном перфузируемом моз­ге крыс сохранены [136].

Защитное действие гипотермии связано с ее влиянием на фер­ментативные системы клетки. В эксперименте было показано [49], что при нормотермической ишемии мозга в течение 5 мин актив­ность кальцийзависимой протеинкиназы уменьшалась на 39% и со­хранялась таковой в течение 2 ч после ишемии, тогда как пониже­ние температуры до 32 °С не вызывало изменения активности этого фермента.

Другой важный внутриклеточный фермент - протеинкиназа С, участвующий в выбросе нейротрансмиттеров и экспрессии генов. При 20-минутной нормотермической ишемии отмечалось выражен­ное ингибирование этого фермента, а при понижении температуры до 27 °С активность протеинкиназы С не снижалась [41]. По мне­нию авторов, это существенный фактор гипотермической толеран­тности организма к гипоксии, поскольку неконтролируемая актива­ция протеинкиназы С является пусковым фактором гибели клетки.

Выраженный нейропротективный эффект гипотермии мозга связан с тем, что понижение температуры (например, до 28,0 °С) увеличивает латентный период формирования аноксической депо­ляризации в среднем до 207,4 с (при нормотермии аноксическая деполяризация нейронов развивается в среднем через 55 с) (рис. 2) и уменьшает в связи с этим экситоксическое действие возбужда­ющих нейромедиаторов [10]. Таким образом, при гипотермии ней­роны головного мозга переходят в состояние относительного покоя. Возбуждающие нейромедиаторы могут быть ответственными за ишемическое повреждение мозга [124]. Установлено, что глутамат индуцирует селективное повреждение нейронов гиппокампа [163]. Гипотермия в сочетании с анестетиками значительно уменьшает выделение глутамата при аноксии, что снижает экситоксическое действие этого возбуждающего нейромедиатора [30, 59, 93, 139, 184]. Из всего изложенного следует, что гипотермия повышает

о	250 -| 200 ■		207
ГС ";	150 ■		/^
Врег	100 ■	55 ^S
	50 ■
	0 ■

37,5 28,0

Температура, °С

Рис. 2. Зависимость времени наступления аноксической деполяризации нейронов от температуры [10].

адаптационные возможности нервной ткани к энергетическому го­лоданию [6, 119].

Последними исследованиями было показано, что для получе­ния отчетливого защитного эффекта гипотермии температуру в го­ловном мозге можно уменьшить лишь на 2-3 °С, т. е. до 33-34 °С, что, однако, не согласуется с общепризнанной точкой зрения о сте­пени снижения интенсивности общего метаболизма при понижении температуры (коэффициент Q_]0). Оказывается, что при поверхнос­тной гипотермии происходит выраженное снижение высвобождения возбуждающих нейротрансмиттеров (рис. 3). Когда температура сни­жается с 36 до 33 °С, ожидаемый подъем глутамата не регистри­руется [39].

Минимальный уровень гипотермии (34 °С) предотвращает ишемическое повреждение нейронов в СА-1 слое гиппокампа по сравнению с иормотермией. Умеренная гипотермия в 27 °С не оказывала дополнительного защитного эффекта [23, 38]. Поверхнос­тный уровень гипотермии может быть достаточным для предотвращения значительного выброса возбуждающих нейротрансмитте­ров, но недостаточным для уменьшения метаболизма головного мозга, которое наблюдается при более глубоком уровне гипотермии.

50

40 ■

30 ■

20 ■

10 ■

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 170 f<r- Ишемия—»/

Время,мин

Рис. 3. Влияние температуры на высвобождение глутамата в головном мозге [39].

Применение только одной гипотермии обеспечивает доста­точную защиту головного мозга в условиях глубокой гипотермической остановки кровообращения [78]. Другие факторы, включающие, в частности, препараты для анестезии, обеспечивают лишь неболь­шую часть церебропротекции при температуре 15-20 °С. Тогда как при умеренной гипотермии, анестезиологические агенты и другие церебропротективные препараты, такие как блокаторы кальциевых каналов, барбитураты и антагонисты NMDA-рецепторов приобре­тают определенное значение, так как церебральный метаболизм повышен. Если глубокая гипотермия используется в качестве един­ственного церебропротективного агента, то факторы, влияющие на мозговой кровоток, такие как РаСО₂, будут способствовать равно­мерному охлаждению головного мозга, усиливая его защиту [100].

Гипотермия не только подавляет метаболизм клеток мозга, но и увеличивает внутриклеточный рН. Ацидоз, связанный с периодом остановки кровообращения и увеличением продукции лактата и пирувата [31, 134,154], вносит существенный вклад в повреждение клеток мозга. Поэтому гипотермия может благотворно воздействовать на мозг путем уменьшения степени внутриклеточного ацидоза [187].

Охлаждение само непосредственно вызывает переориента­цию метаболических путей в организме [7, 8, 96]. В результате чего метаболизм глюкозы, которая служит основным источником энергии для головного мозга, во время гипотермии переключается на пентозо-фосфатный цикл. В процессе пентозо-фосфатного пре­вращения глюкозы генерируется рибозо-5-фосфат [3]. Этот углевод и его производные используются для синтеза важных биологичес­ких молекул, а именно РНК, ДНК, АТФ, что способствует репара­ции генетического материала клеток во время гипоксии и предотв­ращает их гибель.

В условиях низких температур за счет изменения физико-хи­мических характеристик увеличивается жесткость клеточных мем­бран по типу перехода из золя в гель [12]. Это связано с замеще­нием полиненасыщенных жирных кислот в мембранах клеток на насыщенные жирные кислоты [13]. Функционально новое состоя­ние мембран во время гипотермии объясняет тот факт, что клетка становится более устойчивой по отношению к гипоксии. Увеличе­ние жесткости каркаса внутренней оболочки мембран митохондрий обусловливает уменьшение активности дыхательных ферментов. В связи с чем при охлаждении до 25 °С снижение потребления кис­лорода в мозге составляет 1/3 по сравнению с потреблением кис­лорода при температуре 37 °С [26, 162].

Гипотеза о том, что чем ниже уровень гипотермии, тем вы-раженнее ее защитный эффект, оказалась неверной. Фундаменталь­ные исследования в области искусственной гипотермии позволили существенным образом пересмотреть существовавшие ранее по­ложения [150]. Нормальный клеточный метаболизм зависит от ак­тивности Na-K-АТФ-азы, которая поддерживает градиент ионов калия и натрия в клетке [115]. При понижении температуры клетки ниже 15 °С происходит необратимое ингибирование Na-K-АТФ-азы, что способствует избыточному поступлению ионов натрия и воды в клетку [132]. Кроме того, глубокая гипотермия может изменять проницаемость биологических мембран из-за изменения физических свойств мембранных липидов [152], что также приво­дит к свободной диффузии ионов через клеточную мембрану.

В

А

	at			ИГ
L	1	i
В
и	i
1	4	■	НУ-1		■"№
2
	и	Ч
■!
		1	f	Чг
i Их					ri

В

••W

A

II

Рис. 4. Структурно-фазовые нарушения клеточных мембран в процессе развития холодовой смерти теплокровного организма [13].

I. Фронтальная плоскость мембраны: А - доменная мозаичная структура жидкостных (светлые) и ригидных (затемненные) участков мембраны; Б - формирование жидкостных ячеек на этапе формирования ригидных кла­ стеров разной плотности; В - сжатие жидкостных участков мембраны, со­ держащих белковые частицы.

II. Поперечное (фронтальное) сечение мембраны: А - формирование жид­ костных ячеек и выталкивание в их зону белковых частиц из более ригидных участков мембраны; Б - необратимая агрегация белковых частиц и их вытал­ кивание из структуры мембраны (В).

По некоторым данным [116], при охлаждении клеток живот­ных белковые частицы сначала перемещаются из ригидных клас­теров мембраны в жидкостные, где по мере развития этого про­цесса они подвергаются латеральному сжатию, агрегации и в конечном счете выталкиваются из мембраны как инородные тела (рис. 4), что приводит к нарушению структурной целостности мем­браны [108] и последующей секвестрации ионов и биомолекул [97]. Таким образом, значительное понижение температуры (менее 15 °С) может приводить к тем повреждениям, которые характер­ны для гипоксии, но все это естественно замедляется во много раз по сравнению с нормотермическими условиями.