Еще в древности для определения состояния здоровья и выявления заболеваний прибегали к органолептическим методам диагностики. В выдыхаемом воздухе человека содержится около 600 летучих соединений, образующихся в ходе различных биохимических реакций и подлежащих выведению из организма. Продукты сало- и потоотделения, кишечные газы также удаляются во внешнюю среду. Смесь различных молекул, выделяемых человеком, создает ему индивидуальный, неповторимый запах и проблемы при пребывании в помещении [3].

При некоторых заболеваниях появляется специфический запах, позволяющий практически безошибочно поставить диагноз: для больных диабетом с развитием кетоацидоза характерен запах ацетона; при фенилкетонурии обнаруживается «мышиный» запах; запах аммиака в выдыхаемом воздухе появляется при уремии, сладковатый «печеночный» запах обусловлен накоплением меркаптана в организме у больных с тяжелыми поражениями печени; в связи с неполным сгоранием белков, жиров и углеводов от больных с легочно-сердечной недостаточностью часто исходит неприятный кисловатый запах [6].

Однако есть «полезные» газообразные вещества. Их гомеостатическая роль и значимость начинает осмысливаться только сейчас. Пожалуй, пальма первенства принадлежит монооксиду азота — новому материку в биологической науке. Монооксид азота (NO) является гидрофобным эндогенным (антропогенным) газом, участвующим в различных химических реакциях (эндотелиальный релаксирующий фактор, нейропередатчик в центральной и периферической нервной системах, механизмы регуляции перистальтики кишечника, эрекции и выделения гистамина тучными клетками) [8, 9]. NO принимает участие в процессах мобилизации внутриклеточного кальция.

Существует большая группа заболеваний, связанных с нарушением синтеза и/или выделения NO: эссенциальная гипертензия, ишемическая болезнь сердца и инфаркт миокарда, бронхиальная астма. Изучена степень информативности определения NO и перекиси водорода (H₂O₂) в конденсате паров выдыхаемого воздуха как биохимических маркеров мониторинга течения респираторного дистресс-синдрома взрослых (РДСВ). Установлено повышение содержания метаболитов NO в 1 и 2 стадиях РДСВ, сменяющееся резким снижением уровня оксида азота в 3 и 4 стадиях. Отмечено значительное нарастание Н₂О₂ при прогрессировании синдрома. При регрессе РДСВ на начальных этапах синтез NO уменьшается до показателей группы контроля, а повышение Н₂О₂ прекращается. Определение содержания метаболитов NO и Н₂О₂ стало достаточно чувствительным и информативным тестом для диагностики стадии и прогнозирования течения РДСВ и может быть использовано для мониторинга развития синдрома [5]. Путем определения оксида азота в выдыхаемом воздухе можно выявлять ряд легочных заболеваний (бронхиальная астма, бронхоэктатическая болезнь и др.), степень повреждения и эффективность лечения. Под влиянием противовоспалительной терапии глюкокортикоидами per os или ингаляционно происходит снижение уровня NO до нормального, обнаружена корреляция между выдыхаемой окисью азота и другими маркерами воспаления (эозинофилами в индуцированной мокроте, эозинофильным катионным протеином).

Изменения окиси азота обнаружены при некоторых системных заболеваниях (склеродермии, системной красной волчанке), циррозе печени с печеночной недостаточностью, синдроме обструктивного апноэ сна, ВИЧ-инфекции.

Достаточно подробно изучена повреждающая роль оксида азота в развитии сахарного диабета 1-го типа, который относится к аутоиммунным заболеваниям. Повреждающее действие макрофагов на клетки поджелудочной железы осуществляется через продукцию NO-радикалов. При развитии воспаления экспрессия NO-синтазы наблюдается не только в макрофагах, но и в эндотелиоцитах и бета-клетках.

Образующийся в результате быстрой реакции NO с супероксиданионом пероксинитрит является потенциально токсичным соединением. Пероксинитрит (ONOO–) нестабилен в нейтральной среде и в течение нескольких секунд распадается с образованием NO₂^– и ОН^– радикалов. NO — очень лабильное свободнорадикальное соединение, реагирующее с О₂ воздуха или растворенным в воде с образованием NO₂.

Генерация оксида азота в присутствии нитрита и образование О₂^-гликозированными белками и аминокислотами может вызвать токсические эффекты в организме — повреждение сосудов вследствие образования пероксинитрита. Пероксинитрит стабилен в щелочной среде, протонированная форма пероксинитрита неустойчива и быстро распадается с образованием NO^– и ОН^– радикалов. Окисление тиамина в тиохром, инициируемое ОН^– радикалами, нитрозилирование тирозина в смеси гликозилированных аминокислот и нитрита натрия на воздухе косвенно свидетельствуют об образовании пероксинитрита, поэтому можно предположить, что пероксинитрит, или, точнее, радикалы NO₂^– и OH^–, на которые он распадается, возможно, принимают участие в повреждении сосудов при сахарном диабете.

Таким образом, окись азота, «биологический маркер десятилетия», остается наряду с другими биомаркерами областью активных исследований на стыке медицины, биологии, биохимии, фармакологии.

Анализ компонентов выдыхаемого воздуха с целью неинвазивной диагностики заболеваний в последнее время привлекает внимание ученых различных научно-медицинских центров США и Европы. Современные методы газовой хромотографии и масс-спектрометрии позволяют определять в выдыхаемом воздухе несколько сот соединений различных классов, но, исходя из сегодняшнего уровня знаний, только десяток из них можно отнести к диагностически значимым маркерам, входящим в симптомокомплекс определенных заболеваний.

Развитие методов ортомолекулярной диагностики, т.е. детектирование микроконцентраций газообразных молекул, связано с применением современных физических методов обнаружения веществ в жидкой и газообразной среде. При исследовании микрогазообмена в процессе дыхания используемые методы должны обеспечивать возможность определения следовых концентраций антропогенных газов в диапазоне 10^-6—10^-8 об.% при постоянной времени анализа 1-5 с, сравнимой со временем между последовательными вдохами. Предпочтительно прямое определение веществ в пробе выдыхаемого воздуха без его предварительного обогащения или концентрирования, поскольку это исключает режим непрерывного мониторирования. Метод должен обладать высокой селективностью и быть нечувствительным к содержанию в анализируемой пробе атмосферных компонентов Н₂О, О₂, N₂ и СО₂. Масс-спектрометрия и газовая хроматография выдают небольшую скорость анализа и зачастую требуют обогащения пробы. Оптические методы обладают высокими концентрационной чувствительностью, селективностью и быстродействием применительно к детектированию достаточно легких молекул [7].

Среди оптических методов газоанализа лидируют лазерные методы, основанные, в частности, на молекулярной спектроскопии высокого разрешения с применением перестраиваемых диодных (полупроводниковых) лазеров (ПДЛ). Лазерный анализатор содержания газообразных микрокомпонентов в выдыхаемом воздухе представляет собой, по сути, высокочувствительный инфракрасный спектрометр, настроенный на регистрацию с высоким разрешением спектров пропускания исследуемой газовой среды в выбранном спектральном диапазоне [2].

ПДЛ позволяют определять в выдыхаемом воздухе газообразные молекулы типа СО, СО₂, NO₂, N₂O, NH₃, H₂O, H₂O₂, C₂H₄, C₂H₆, CH₂O, CH₄, CH₃OH, C₂H₅OH, CS₂, H₂S, C₅H₁₂, CH₂OHS и др. с чувствительностью более 7–10 об.% (1ppb) и изотопические модификации молекул-метаболитов.

Сотрудничество Института общей физики РАН с ГНЦ института медико-биологических проблем Министерства здравоохранения РФ, Московской медицинской академией им. И.М. Сеченова, Институтом пульмонологии РАМН и другими организациями дало существенные результаты фундаментального и прикладного характера. Так, были выявлены основные закономерности выделения эндогенной моноокиси углерода (СО) из организма человека с дыханием. СО образуется в результате ферментативно-управляемого распада гемсодержащих структур. Она буферируется и транспортируется из мест образования в легкие за счет обратимого соединения с миоглобином и гемоглобином, конкурируя при этом с О₂. Темп выделения эндогенной СО легкими зависит от скорости ее наработки и эффективности связывания буферными системами, в свою очередь зависящей от рН среды, тканевого рО₂ и содержания некоторых веществ. Были выявлены циркадные ритмы выделения эндогенной СО. Клинические исследования показали, что уровень эндогенной СО в выдыхаемом воздухе изменяется при ряде заболеваний (гипербилирубинемия, поражения печени и костного мозга, заболевания легких и др.), что может быть использовано для их диагностики и эффективной терапии. Мониторинг выделения СО может служить методом исследования транспорта кислорода к тканям [1, 4].

Перспективным является также применение лазерного анализа для высокоточного определения изотопического отношения углерода в выдыхаемой СО₂ при проведении дыхательных тестов в гастроэнтерологии, основанных на использовании препаратов, меченных нерадиоактивным изотопом углерода ¹³С. В этих тестах в организм вводится меченный ¹³С препарат, метаболизирующийся в исследуемом органе с выделением ¹³СО₂, которая попадает в кровь, а затем в выдыхаемый воздух. Определяя изменения отношения изотопов ¹³СО₂/¹²СО₂ в выдохе, обусловленные нагрузочным тестом, можно судить об эффективности исследуемого метаболического процесса и выявлять патологические отклонения [4].

В перспективе планируется создание многокомпонентных аналитических систем и расширение круга изучаемых медицинских проблем, связанных с антропогенными газами. Особое значение приобретает ортомолекулярная диагностика при синдроме системного воспалительного ответа и синдроме полиорганной дисфункции. Дороговизна и сложность приборов сдерживают их применение в клинической практике. Думается, что научный потенциал нашей республики способен успешно решить назревшую задачу — внедрение методов ортомолекулярной диагностики в клиническую медицину.

Литература 

1.      Большаков А.А., Головенков Н.В., Ошемков С.В., Петров А.А. //Журнал прикл. спектроскопии. — 1989. — Т. 51, N 2. — С. 183—187.

2.      Бритов А.Д. и др. //Прикл. физика. — 1999. — N 2. — С. 6—9.

3.      Кустов В.В., Тиунов Л.А. //Космическая биология и авиакосмическая медицина. — 1980. — N 4. — С. 3—6.

4.      Степанов Е.В., Миляев В.А., Селиванов Ю.Г. //Успехи физ. наук. — 2000. — Т. 170, N 4. — С. 458—462.

5.      Breur J. et al. //Eur. J. Pediatr. — 1997. — V. 156, N 6. — P. 460—462.

6.      Principles and practice of pediatrics /Ed. F.A. Oski, C.D. DeAngelis. — 1994. — P. 2098—2134.

7.      Sokol G.M. et al. //Clin. Chem. — 1999. — V. 45, N 3. — P. 382—387.

8.      Wechsler M.E. et al. //Amer. J. Respir. Crit. Care Med. — 2000. — V. 162, N 6. — Р. 2043—2047.

9.      Whorton A.R., Simonds D.B., Piantadosi C.A. //Amer. J. Physiol. — 1997. — V. 272, N 6. — P. 1161—1166. 

Медицинские новости. – 2005. – №7. – С.35-37.