Гипоксическое необратимое повреждение клеток головного мозга, ассоциированные с ним факторы риска и антигипоксанты
- Авторы: Ураков А.Л.1, Уракова Н.А.1, Шабанов П.Д.2
-
Учреждения:
- Ижевская государственная медицинская академия
- Институт экспериментальной медицины
- Выпуск: Том 22, № 3 (2024)
- Страницы: 277-288
- Раздел: Научные обзоры
- URL: https://bakhtiniada.ru/RCF/article/view/292619
- DOI: https://doi.org/10.17816/RCF629408
- ID: 292619
Цитировать
Аннотация
В финальной стадии многих болезней непосредственной причиной биологической смерти людей и теплокровных животных является гипоксическое необратимое повреждение клеток головного мозга. Этим объясняется то, что для предотвращения биологической смерти при всех без исключения критических состояниях давно и успешно используют ингаляции дыхательными газами, содержащими кислород. Поэтому насыщение крови кислородом считается одним из главных условий для сохранения жизни людей во всех критических ситуациях и составляет основу оказания неотложной медицинской помощи в отделении интенсивной терапии. Однако ингаляции газа кислорода и увеличение сатурации крови кислородом должны быть осуществлены как можно раньше, а точнее — до наступления стадии гипоксических необратимых повреждений в клетках головного мозга. Дело в том, что после наступления необратимых повреждений клетки мозга погибают даже в присутствии кислорода. В связи с этим огромную роль для более длительного сохранения жизнеспособности клеток головного мозга и жизни человека в условиях гипоксемии играют механизмы адаптации организма к дефициту кислорода. С целью повышения устойчивости к гипоксемии традиционно используются антигипоксанты. Но и они могут сохранить жизнеспособность клеток головного мозга не всегда, а только в случае введения в организм до наступления гипоксического необратимого повреждения клеток головного мозга и в случае наличия в организме неиспользованных резервов адаптации к гипоксемии. Указываются факторы риска гипоксического необратимого повреждения клеток головного мозга, среди которых выделяются чрезмерно большая продолжительность гипоксемии и гипертермия. В обзоре показано, что важнейшим обстоятельством развития гипоксических необратимых повреждений клеток головного мозга является не столько степень гипоксемии, сколько степень гипоксии ткани головного мозга и ее продолжительность, превышающая по длительности период устойчивости человека к гипоксии. Устойчивость человека к гипоксии может быть оценена с помощью теста Штанге. Сообщается, что лихорадка и локальная гипертермия головного мозга снижают, а гибернация и локальная гипотермия головного мозга повышают устойчивость клеток головного мозга к гипоксии. В связи с этим высоко целесообразными для повышения устойчивости к гипоксии являются рекомендации не только по устранению лихорадки и локальных воспалительных процессов в голове, но и рекомендации по уменьшению температуры головного мозга. Среди методов локальной терапевтической гипотермии наиболее совершенным можно считать целенаправленное регулирование температуры. Кроме этого, в последние годы была создана новая группа перспективных антигипоксантов — щелочные растворы перекиси водорода. Показано, что перекись водорода способна очень быстро разлагаться на воду и газ кислород под действием каталазы, которая находится во всех тканях. Особенности использования щелочных растворов перекиси водорода в роли антигипоксантов нам всем предстоит еще изучить в будущем.
Ключевые слова
Полный текст
Открыть статью на сайте журналаОб авторах
Александр Ливиевич Ураков
Ижевская государственная медицинская академия
Автор, ответственный за переписку.
Email: urakoval@live.ru
ORCID iD: 0000-0002-9829-9463
SPIN-код: 1613-9660
д-р мед. наук, профессор
Россия, ИжевскНаталья Александровна Уракова
Ижевская государственная медицинская академия
Email: urakovanatal@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4233-9550
SPIN-код: 4858-1896
канд. мед. наук, доцент
Россия, ИжевскПетр Дмитриевич Шабанов
Институт экспериментальной медицины
Email: pdshabanov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1464-1127
д-р. мед. наук, профессор
Россия, Санкт-ПетербургСписок литературы
- Zhongyuan S, Xuehan N, Pengguo H, et al. Comparison of physiological responses to hypoxia at high altitudes between highlanders and lowlanders. Sci Sin. 1979;22(12):1455–1469.
- Yu J, Zhang Y, Hu X, et al. Hypoxia-sensitive materials for biomedical applications. Ann Biomed Eng. 2016;44(6):1931–1945. doi: 10.1007/s10439-016-1578-6
- Nakamura N, Shi X, Darabi R, Li Y. Hypoxia in cell reprogramming and the epigenetic regulations. Front Cell Dev Biol. 2021;9:609984. doi: 10.3389/fcell.2021.609984
- Laursen JC, Mizrak HI, Kufaishi H, et al. Lower blood oxygen saturation is associated with microvascular complications in individuals with type 1 diabetes. J Clin Endocrinol Metab. 2022;108(1):99–106. doi: 10.1210/clinem/dgac559
- Burykh EA. Interaction of hypocapnia, hypoxia, brain blood flow, and brain electrical activity in voluntary hyperventilation in humans. Neurosci Behav Physiol. 2008;38(7):647–659. doi: 10.1007/s11055-008-9029-y
- Li G, Guan Y, Gu Y, et al. Intermittent hypoxic conditioning restores neurological dysfunction of mice induced by long-term hypoxia. CNS Neurosci Ther. 2023;29(1):202–215. doi: 10.1111/cns.13996
- Garner O, Ramey JS, Hanania NA. Management of life-threatening asthma: Severe asthma series. Chest. 2022;162(4): 747–756. doi: 10.1016/j.chest.2022.02.029
- Lundberg SM, Nair B, Vavilala MS, et al. Explainable machine-learning predictions for the prevention of hypoxaemia during surgery. Nat Biomed Eng. 2018;2(10):749–760. doi: 10.1038/s41551-018-0304-0
- Fang Z, Zou D, Xiong W, et al. Dynamic prediction of hypoxemia risk at different time points based on preoperative and intraoperative features: machine learning applications in outpatients undergoing esophagogastroduodenoscopy. Ann Med. 2023;55(1):1156–1167. doi: 10.1080/07853890.2023.2187878
- Ohira C, Tomita K, Kaneki M, et al. Effects of low concentrations of ozone gas exposure on percutaneous oxygen saturation and inflammatory responses in a mouse model of Dermatophagoides farinae-induced asthma. Arch Toxicol. 2023;97(12):3151–3162. doi: 10.1007/s00204-023-03593-2
- Ura H, Hirata K, Katsuramaki T. Mechanisms of cell death in hypoxic stress. Nihon Geka Gakkai Zasshi. 1999;100(10):656–662.
- Urakov A, Urakova N. COVID-19: Cause of death and medications. IP Int J Comp Adv Pharmacol. 2020;5(2):45–48. doi: 10.18231/j.ijcaap.2020.011
- Della Rocca Y, Fonticoli L, Rajan TS, et al. Hypoxia: molecular pathophysiological mechanisms in human diseases. J Physiol Biochem. 2022;78(4):739–752. doi: 10.1007/s13105-022-00912-6
- Urakov A, Muhutdinov N, Yagudin I, et al. Brain hypoxia caused by respiratory obstruction wich should not be forgotten in COVID-19 disease. Turk J Med Sci. 2022;52(5):1504–1505. doi: 10.55730/1300-0144.5489
- Nakane M. Biological effects of the oxygen molecule in critically ill patients. J Intensive Care. 2020;8(1):95. doi: 10.1186/s40560-020-00505-9
- Zhao Y-T, Yuan Y, Tang Y-G, et al. The association between high-oxygen saturation and prognosis for intracerebral hemorrhage. Neurosurg Rev. 2024;47(1):45. doi: 10.1007/s10143-024-02283-6
- Duke T, Graham SM, Cherian MN, et al. Oxygen is an essential medicine: a call for international action. Int J Tuberc Lung Dis. 2010;14(11):1362–1368.
- English M, Oliwa J, Khalid K, et al. Hospital care for critical illness in low-resource settings: lessons learned during the COVID-19 pandemic. BMJ Glob Health. 2023;8(11):e013407. doi: 10.1136/bmjgh-2023-013407
- Revin VV, Gromova NV, Revina ES, et al. Study of the structure, oxygen-transporting functions, and ionic composition of erythrocytes at vascular deiseases. Biomed Res Int. 2015;2015:973973. doi: 10.1155/2015/973973
- Gottlieb J, Capetian P, Hamsen U, et al. German S3 guideline: Oxygen therapy in the acute care of adult patients. Respiration. 2022;101(2):214–252. doi: 10.1159/000520294
- O’Driscoll BR, Kirton L, Weatherall M, et al. Effect of a lower target oxygen saturation range on the risk of hypoxaemia and elevated NEWS2 scores at a university hospital: a retrospective study. BMJ Open Respir Res. 2024;11(1):e002019. doi: 10.1136/bmjresp-2023-002019
- Xu C, Yang F, Wang Q, Gao W. Comparison of high flow nasal therapy with non-invasive ventilation and conventional oxygen therapy for acute hypercapnic respiratory failure: A meta-analysis of randomized controlled trials. Int J Chron Obstruct Pulmon Dis. 2023;18:955–973. doi: 10.2147/COPD.S410958
- Ghoshal AG. Hypoxemia and oxygen therapy. J Assoc Chest Physicians. 2020;8(2):42–47. doi: 10.4103/jacp.jacp_44_20
- Lopez-Rodriguez AB, Murray CL, Kealy J, et al. Hyperthermia elevates brain temperature and improves behavioural signs in animal models of autism spectrum disorder. Mol Autism. 2023;14(1):43. doi: 10.1186/s13229-023-00569-y
- Chen P-S, Chiu W-T, Hsu P-L, et al. Pathophysiological implications of hypoxia in human diseases. J Biomed Sci. 2020;27(1):63. doi: 10.1186/s12929-020-00658-7
- Watanabe T, Morita M. Asphyxia due to oxygen deficiency by gaseous substances. Forensic Sci Int. 1998;96(1):47–59. doi: 10.1016/s0379-0738(98)00112-1
- Urakov A, Urakova N, Kasatkin A, et al. Dynamics of local temperature in the fingertips after the cuff occlusion test: Infrared diagnosis of adaptation reserves to hypoxia and assessment of survivability of victims at massive blood loss. Rev Cardiovasc Med. 2022;23(5):174. doi: 10.31083/j.rcm2305174
- Stange VA. Prognosis in general anesthesia. J Am Med Assoc. 1914;62:1132.
- Shabanov PD, Urakov A, Urakova NA. Assessment of fetal resistance to hypoxia using the Stange test as an adjunct to Apgar scale assessment of neonatal health status. Medical Academic Journal. 2023;23(3):89–102. EDN: OFZNNV doi: 10.17816/MAJ568979
- Henig NR, Pierson DJ. Mechanisms of hypoxemia. Respir Care Clin N Am. 2000;6(4):501–521. doi: 10.1016/s1078-5337(05)70087-3
- Maclaren R, Torian S, Kiser T, et al. Therapeutic hypothermia following cardiopulmonary arrest: A systematic review and meta-analysis with trial sequential analysis. J Crit Care Med (Targu Mures). 2023;9(2):64–72. doi: 10.2478/jccm-2023-0015
- Elbadawi A, Sedhom R, Baig B, et al. Targeted hypothermia vs targeted normothermia in survivors of cardiac rreast: A systematic review and meta-analysis of randomized trials. Am J Med. 2022;135(5):626–633.e4. doi: 10.1016/j.amjmed.2021.11.014
- Arrich J, Schütz N, Oppenauer J, et al. Hypothermia for neuroprotection in adults after cardiac arrest. Cochrane Database Syst Rev. 2023;5(5):CD004128. doi: 10.1002/14651858.CD004128.pub5
- Behringer W, Böttiger BW, Biasucci DG, et al. Temperature control after successful resuscitation from cardiac arrest in adults: A joint statement from the European Society for Emergency Medicine and the European Society of Anaesthesiology and Intensive Care. Eur J Anaesthesiol. 2024;41(4):278–281. doi: 10.1097/EJA.0000000000001948
- Behringer W, Böttiger BW, Biasucci DG, et al. Temperature control after successful resuscitation from cardiac arrest in adults: a joint statement from the European Society for Emergency Medicine (EUSEM) and the European Society of Anaesthesiology and Intensive Care (ESAIC). Eur J Emerg Med. 2024;31(2):86–89. doi: 10.1097/MEJ.0000000000001106
- Awad A, Dillenbeck E, Dankiewicz J, et al. Transnasal evaporative cooling in out-of-hospital cardiac arrest patients to initiate hypothermia — A substudy of the target temperature management 2 (TTM2) Randomized trial. J Clin Med. 2023;12(23):7288. doi: 10.3390/jcm12237288
- Urakova N, Urakov A, Shabanov P, Sokolova V. Aerobic brain metabolism, body temperature, oxygen, fetal oxygen supply and fetal movement dynamics as factors in stillbirth and neonatal encephalopathy. Invention review. Azerbaijan Pharmaceutical and Pharmacotherapy Journal. 2023;22(2):105–112. doi: 10.61336/appj/22-2-24
- Bon LI, Fliuryk S, Dremza I, et al. Hypoxia of the brain and mechanisms of its development. J Clin Res Rep. 2023;13(4):01–05. doi: 10.31579/2690-1919/311
- Shabanov P, Samorodov A, Urakova N, et al. Low fetal resistance to hypoxia as a cause of stillbirth and neonatal encephalopathy. Clin Exp Obstet Gynecol. 2024;51(2):33. doi: 10.31083/j.ceog5102033
- Terraneo L, Paroni R, Bianciardi P, et al. Brain adaptation to hypoxia and hyperoxia in mice. Redox Biol. 2017;11:12–20. doi: 10.1016/j.redox.2016.10.018
- Bon LI, Bon EI, Maksimovich NYe, Vishnevskaya LI. Adaptation of the brain to hypoxia. J Clin Commun Med. 2023;5(2):540–543. doi: 10.32474/JCCM.2023.05.000208
- Radzinsky VE, Urakova NA, Urakov AL, Nikityuk DB. Test Hausknecht as a predictor of Cesarean section and newborn resuscitation. V.F. Snegirev Archives of Obstetrics and Gynecology. 2014;1(2):14–18. EDN: SYSMHP doi: 10.17816/aog35256
- Urakov A, Urakova N. A drowning fetus sends adistress signal, which is an indication for a Caesarean section. Indian J Obstet Gynecol Res. 2020;7(4):461–466. doi: 10.18231/j.ijogr.2020.100
- Urakov A, Urakova N. Fetal hypoxia: Temperature value for oxygen exchange, resistance to hypoxic damage, and diagnostics using a thermal imager. Indian J Obstet Gynecol Res. 2020;7(2):232–238. doi: 10.18231/j.ijogr.2020.048
- Urakov AL, Urakova NA. Modified Stange test gives new gynecological criteria and recommendations for choosing caesarean section childbirth. BioImpacts. 2022;12(5):477–478. doi: 10.34172/bi.2022.23995
- Urakov AL, Urakova NA. Time, temperature and life. Advances in Bioresearch. 2021;12(2):246–252. EDN: NUEAAO doi: 10.15515/abr.0976-4585.12.2.246252
- Logan SR. The origin and status of the Arrhenius equation. J Chem Educ. 1982;59(4):279–281. doi: 10.1021/ed059p279
- Hutchison JS, Ward RE, Lacroix J, et al. Hypothermia therapy after traumatic brain injury in children. N Engl J Med. 2008;358(23): 2447–2456. doi: 10.1056/NEJMoa0706930
- Mackowiak PA, Wasserman SS, Levine MM. A critical appraisal of 98.6 degrees F, the upper limit of the normal body temperature, and other legacies of Carl Reinhold August Wunderlich. JAMA. 1992;268(12):1578–1580.
- Ley C, Heath F, Hastie T, et al. Defining usual oral temperature ranges in outpatients using an unsupervised learning algorithm. JAMA Intern Med. 2023;183(10):1128–1135. doi: 10.1001/jamainternmed.2023.4291
- Kittrell EM, Satinoff E. Diurnal rhythms of body temperature, drinking and activity over reproductive cycles. Physiol Behav. 1988;42(5):477–484. doi: 10.1016/0031-9384(88)90180-1
- Speaker SL, Pfoh ER, Pappas MA, et al. Relationship between oral temperature and bacteremia in hospitalized patients. J Gen Intern Med. 2023;38(12):2742–2748. doi: 10.1007/s11606-023-08168-6
- Alagiakrishnan K, Dhami P, Senthilselvan A. Predictors of conversion to dementia in patients with mild cognitive impairment: The role of low body temperature. J Clin Med Res. 2023;15(4): 216–224. doi: 10.14740/jocmr4883
- Verduzco-Mendoza A, Mota-Rojas D, Olmos Hernández SA, et al. Traumatic brain injury extending to the striatum alters autonomic thermoregulation and hypothalamic monoamines in recovering rats. Front Neurosci. 2023;17:1304440. doi: 10.3389/fnins.2023.1304440
- Lukyanova LD, Kirova YI. Mitochondria-controlled signaling mechanisms of brain protection in hypoxia. Front Neurosci. 2015;9:320. doi: 10.3389/fnins.2015.00320
- Scott BR, Slattery KM, Sculley DV, Dascombe BJ. Hypoxia and resistance exercise: a comparison of localized and systemic methods. Sports Med. 2014;44(8):1037–1054. doi: 10.1007/s40279-014-0177-7
- Hong JM, Choi ES, Park SY. Selective brain cooling: A new horizon of neuroprotection. Front Neurol. 2022;13:873165. doi: 10.3389/fneur.2022.873165
- Jackson TC, Kochanek PM. A new vision for therapeutic hypothermia in the era of targeted temperature management: a speculative synthesis. Ther Hypothermia Temp Manag. 2019;9(1):13–47. doi: 10.1089/ther.2019.0001
- Lunze K, Bloom DE, Jamison DT, Hamer DH. The global burden of neonatal hypothermia: systematic review of a major challenge for newborn survival. BMC Med. 2013;11:24. doi: 10.1186/1741-7015-11-24
- Koehler RC, Reyes M, Hopkins CD, et al. Rapid, selective and homogeneous brain cooling with transnasal flow of ambient air for pediatric resuscitation. J Cereb Blood Flow Metab. 2023;43(11): 1842–1856. doi: 10.1177/0271678X231189463
- Assis FR, Bigelow MEG, Chava R, et al. Efficacy and safety of transnasal coolstat cooling device to induce and maintain hypothermia. Ther Hypothermia Temp Manag. 2019;9(2):108–117. doi: 10.1089/ther.2018.0014
- Choi JH, Pile-Spellman J. Selective brain hypothermia. Handb Clin Neurol. 2018;157:839–852. doi: 10.1016/B978-0-444-64074-1.00052-5
- Bhowmick S, Drew KL. Mechanisms of innate preconditioning towards ischemia/anoxia tolerance: Lessons from mammalian hibernators. Cond Med. 2019;2(3):134–141.
- Sahdo B, Evans AL, Arnemo JM, et al. Body temperature during hibernation is highly correlated with a decrease in circulating innate immune cells in the brown bear (Ursus arctos): a common feature among hibernators? Int J Med Sci. 2013;10(5):508–514. doi: 10.7150/ijms.4476
- Cahill T, da Silveira WA, Renaud L, et al. Investigating the effects of chronic low-dose radiation exposure in the liver of a hypothermic zebrafish model. Sci Rep. 2023;13(1):918. doi: 10.1038/s41598-022-26976-4
- Cerri M, Tinganelli W, Negrini M, et al. Hibernation for space travel: Impact on radioprotection. Life Sci Space Res (Amst). 2016;11:1–9. doi: 10.1016/j.lssr.2016.09.001
- Choi JH, Pile-Spellman J, Weinberger J, Poli S. Editorial: Selective brain and heart hypothermia — A path toward targeted organ resuscitation and protection. Front Neurol. 2023;14:1162865. doi: 10.3389/fneur.2023.1162865
- Horn M, Diprose WK, Pichardo S, et al. Non-invasive brain temperature measurement in acute ischemic stroke. Front Neurol. 2022;13:889214. doi: 10.3389/fneur.2022.889214
- Diprose WK, Rao A, Ghate K, et al. Penumbral cooling in ischemic stroke with intraarterial, intravenous or active conductive head cooling: A thermal modeling study. J Cereb Blood Flow Metab. 2024;44(1):66–76. doi: 10.1177/0271678X231203025
- Choi JH, Poli S, Chen M, et al. Selective brain hypothermia in acute ischemic stroke: Reperfusion without reperfusion injury. Front Neurol. 2020;11:594289. doi: 10.3389/fneur.2020.594289
- Mrozek S, Vardon F, Geeraerts T. Brain temperature: physio¬logy and pathophysiology after brain injury. Anesthesiol Res Pract. 2012;2012:989487. doi: 10.1155/2012/989487
- Fernandez Hernandez S, Barlow B, Pertsovskaya V, Maciel CB. Temperature control after cardiac arrest: A narrative review. Adv Ther. 2023;40(5):2097–2115. doi: 10.1007/s12325-023-02494-1
- Chen K, Schenone AL, Gheyath B, et al. Impact of hypothermia on cardiac performance during targeted temperature management after cardiac arrest. Resuscitation. 2019;142:1–7. doi: 10.1016/j.resuscitation.2019.06.276
- Ginsberg MD, Busto R. Combating hyperthermia in acute stroke: a significant clinical concern. Stroke. 1998;29(2):529–534. doi: 10.1161/01.str.29.2.529
- Shabanov PD, Zarubina IV. Hypoxia and antihypoxants, focus on brain injury. Reviews on Clinical Pharmacology and Drug Therapy. 2019;17(1):7–16. EDN: NNOOGA doi: 10.17816/RCF1717-16
- Urakov AL, Fisher EL, Lebedev AА, Shabanov PD. Aquarium fish and temperature neuropharmacology. Update. Psychopharmacology and biological narcology. 2024;15(1):41–52. EDN: QJVYFF doi: 10.17816/phbn625545
- Zarubina IV, Shabanov PD. Significance of individual resistance to hypoxia for the correction of the brain trauma sequelae. Russian journal of physiology. 2003;89(8):919–925. EDN: MPOJNL
- Urakov A, Urakova N, Shabanov P, et al. Suffocation in asthma and COVID-19: Supplementation of inhaled corticosteroids with alkaline hydrogen peroxide as an alternative to ECMO. Preprints. 2023:2023070627. doi: 10.20944/preprints202307.0627.v1
- Shabanov PD, Fisher EL, Urakov AL. Hydrogen peroxide formulations and methods of their use for blood oxygen saturation. J Med Pharm Allied Sci. 2022;11(6):5489–5493. doi: 10.55522/jmpas.V11I6.4604
- Fisher EL, Urakov AL, Samorodov AV, et al. Alkaline hydrogen peroxide solutions: expectorant, pyolytic, mucolytic, haemolytic, oxygen-releasing, and decolorizing effects. Reviews on Clinical Pharmacology and Drug Therapy. 2023;21(2):135–150. EDN: UDPAZJ doi: 10.17816/RCF492316
- Urakov A, Urakova N, Reshetnikov A, Rozov R. Local warm alkaline hydrogen peroxide solutions and targeted temperature management improve the treatment of chronic wounds. Azerbaijan Pharmaceutical and Pharmacotherapy Journal. 2024;23(1):65–659. doi: 10.61336/appj/23-1-12
