Идея замораживания организмов с постоянной температурой тела (животных и людей) с целью добиться полной нечувствительности перед последующим хирургическим вмешательством не нова. Еще в 1862 г. А. О. Вальтер установил, что кроликов можно лишать чувствительности, понижая температуру тела до 20 °C. Позже, в 1902 г., Симпсон доказал возможность охлаждения тела высокоразвитых организмов (обезьян) до 25 °C при комбинации с эфирным наркозом.
Начались и первые опыты по использованию холода при хирургических операциях на человеке. Искусственное замораживание было названо гипотермией (от греч. слова hypo — под, ниже, и thermos — тепло).
Впервые в мире гипотермию, т. е. искусственное охлаждение организма человека с лечебной целью, использовали американские ученые Темил Фей и Лоуренс Смит в 1940 г. Ученые решили с помощью гипотермии лечить людей, заболевших раком. Они заметили, что опухоли чаще образуются в тех органах и частях человеческого тела, где сравнительно более высокая температура. Отдельные опыты показали, что локальное охлаждение раковой ткани в известной степени задерживает ее рост и ведет к общему улучшению состояния организма. Это стимулировало попытки Фея и Смита осуществить общее охлаждение всего тела больного раком. Для этой цели они разработали довольно сложную и не совсем безопасную методику. Больного сначала усыпляли, применив наркоз, а затем охлаждали в ванне при температуре воды -4 °C (с плавающими в воде кусками льда). Охладив тело пациента до температуры 28–29 °C, они заворачивали его в одеяло и для поддержания пониженной температуры тела обкладывали его резиновыми мешочками со льдом. Таким образом пациенты впадали в состояние искусственной гибернации: резко падал пульс, замедлялось дыхание, переставали функционировать почки и сильно понижался обмен веществ. При одном из опытов температура тела больного упала даже до 27,7 °C. Одновременно с этим в вену вводили лекарственные препараты (барбитураты), чтобы блокировать центр терморегуляции, расположенной в гипоталамусе. Этот метод позволил врачам поддерживать состояние умеренной общей гипотермии в течение 2 недель, а иногда и больше, но с интервалами. Пациент находился на искусственном питании. Для выведения из этого состояния (т. е. пробуждения) применялся продолжительный массаж и больному давали теплый кофе. После возвращения в нормальное состояние пациенты не могли ничего вспомнить и не испытывали никаких неприятных ощущений.
Несмотря на то что Фей и Смит не смогли вылечить пациентов, больных раком, с биологической точки зрения особенный интерес представляет тот факт, что стало возможным привести человека в состояние гибернации в течение 2 недель, причем температура тела понижалась до 27,7 °C и значительно понизились все проявления жизни (пульс, дыхание, обмен веществ).
Методикой Фея и Смита, при помощи которой вызывалось искусственное охлаждение человека, впоследствии воспользовались хирурги. В 1950 г. американский хирург Мак Куистон использовал гипотермию при лечении больных с врожденными пороками сердца, протекающими с цианозом. Одновременно другой американский хирург доктор Бигелоу и его сотрудники с успехом применили методику Фея и Смита при сложных операциях на сердце.
Известно, что у детей встречаются различные врожденные пороки сердца. Все они тяжело отражаются на кровообращении, и дети растут больными и физически неполноценными. Эти дефекты сердца можно устранить только хирургическим путем. Но долгое время это было неосуществимо по двум причинам: во-первых, хирурги боялись оперировать органы, находящиеся в грудной полости, опасаясь внести туда инфекцию, и во-вторых, чтобы «открыть» сердце, необходимо выключить кровообращение. Но как продлить жизнь клеток головного мозга? Известно, что если кровь не снабжает их кислородом, то они сохраняют жизнеспособность всего 3–4 мин, а за такой короткий срок сложная операция на сердце невозможна. Первую причину, вызывавшую опасения хирургов (внести инфекцию), удалось преодолеть после того, как были открыты антибиотики и началось их широкое применение. Для устранения второй причины врачи решили воспользоваться гипотермией, благодаря которой выносливость нервных клеток значительно повышается.
При этом методика охлаждения человека уже была разработана Феем и Смитом. Сначала ученые экспериментировали на подопытных собаках и лишь после этого приступили к хирургическому вмешательству на людях. Доктор Бигелоу и его сотрудники охлаждали тело пациента до температуры 28–29 °C, затем вскрывали грудную полость, изолировали крупные кровеносные сосуды, идущие к сердцу и выходящие из него, таким образом выключая кровообращение. Обнаружилось, что кровообращение не должно прерываться более чем на 7–8 мин. Но этого времени для опытного хирурга достаточно, чтобы вскрыть полость сердца, оперативным путем устранить дефект в сердце и зашить рану, после чего снова возобновить кровообращение. Первая такая операция была проведена в начале 50-х годов. С тех пор во всем мире начали широко оперировать на «сухом», т. е. свободном от крови, сердце.
Однако трудоемкость охлаждения и согревания приводила к тому, что на каждого пациента уходило 8–9 ч, что делало труд хирурга малопроизводительным. Кроме того, для многих операций 7–8 мин было явно недостаточно. Это обстоятельство привело к необходимости создать какие-то новые условия и методы искусственного кровообращения. При продолжительных оперативных вмешательствах на сердце, когда нужно, например, заменить сердечные клапаны или устранить сложный врожденный порок, продолжительность операции вынуждала сочетать искусственное кровообращение с гипотермией. Но при искусственном кровообращении, когда операция на сердце продолжается более длительное время (примерно 20–30 мин), этот метод оказывался непригодным, так как требовалось большое количество ценной донорской крови. Кроме того, полная замена крови больного кровью многих доноров, пусть даже совместимой, отрицательно сказывалась на организме, и после операции больной долго оставался в тяжелом состоянии. Вот почему форсировались и углублялись опыты по использованию гипотермии без искусственного кровообращения и в конце концов они увенчались успехом. Было установлено, что под действием холода прежде всего понижается температура крови, циркулирующей под поверхностью кожи человека. Охлажденная кровь циркулирует по всему телу, в. том числе и в голове, охлаждая головной мозг.
Таким образом, температура тела всегда на 2–3 °C ниже температуры мозга. Если тело человека можно, не опасаясь последствий, охладить до 29–30 °C, то головной мозг в этот момент будет иметь температуру 31–33 °C, а этого не хватает для его защиты от кислородной недостаточности. Но если голову охлаждать более 7–8 мин, то возникнет противоположная картина — сначала понизится температура головного мозга, а уже затем — циркулирующей в нем крови; значит, температура мозга станет на несколько градусов ниже, что даст возможность довести перерыв в кровообращении до 30 мин. Идея казалась весьма перспективной, но выяснилось, что если довольно легко охлаждать мозг мелких животных (мышей, крыс, кроликов, кошек и др.), то почти невозможно это проделать на собаках, обезьянах, а тем более на людях. Даже если поместить голову в сосуд с температурой воздуха -20 °C или в холодную воду при температуре -4 °C, все равно не произойдет охлаждения головного мозга, а постепенно будет охлаждаться весь организм.
Эту задачу удалось разрешить коллективу советских ученых во главе с профессором В. А. Буковым из лаборатории по пересадке органов и тканей. Исследователи проследили за рядом фактов из живой природы. Они задались вопросом: почему в Ленинграде при температуре воздуха -5 °C, но при сильном ветре лицо человека может замерзнуть быстрее, чем при -40 °C в безветренную погоду, например, в Иркутске? Оказалось, что все дело в быстрой смене воздуха. Исходя из этого принципа, ученые создали первоначально опытные, а затем и клинические гипотермические аппараты, в которых голову поливали струями воды, охлажденной до 1 °C (аппарат «Холод 2ф» и «Флюидо краниотерм», где охлаждение осуществлялось с помощью сильной воздушной струи). Эти аппараты позволяют понизить температуру головного мозга у подопытных собак до 24–25 °C. Такой же результат получен в тех случаях, когда они применялись к людям, причем важно отметить, что температура тела сохраняется в безопасных границах от 30° до 31 °C. Созданные советскими учеными гипотермические аппараты позволяют проводить все сложные операции на сердце, для которых необходимо не более 30 мин. Эти аппараты пользуются большой популярностью во многих странах.
Практически операции, при которых используется гипотермия, проводятся следующим образом: больного усыпляют на операционном столе. На его голову надевают специальный шлем и сразу же начинают ее охлаждать. Хирург вскрывает грудную полость, подводят лигатуру под крупные кровеносные сосуды сердца, чтобы изолировать их от сердца. В это время температура головного мозга успевает понизиться до нужного уровня. Когда кровообращение временно приостановлено, искусственное дыхание тоже становится ненужным. После этого врачи приступают к вскрытию сердца и осуществляется сама операция. Как только стенки сердца зашьют, с кровеносных сосудов снимают лигатуру, сердце возобновляет свою работу, тогда начинают согревать организм тем же аппаратом, но при этом воздействуют на голову температурой +40 °C.
Использование гипотермических аппаратов позволяет проводить безопасные операции на сердце, длящиеся 20–30 мин. Благодаря тому что при этом методе нет необходимости заменять кровь больного, процесс выздоровления протекает без осложнений. Уже на 8 — 10-й день пациенты начинают ходить, и вскоре их выписывают из больницы. Разумеется, при более продолжительных операциях хирурги и теперь сочетают гипотермию с искусственным кровообращением.
В 1954 г. советский хирург В. Шамов первым провел весьма успешно сложную операцию на брюшной полости, применив способ гипотермии.
Что же касается искусственного охлаждения людей, то рекорд в этой области принадлежит хирургам Ниази и Люису, которые в 1958 г. за 1 ч охладили под наркозом больную (в возрасте 51 года), доведя температуру ее тела до 9 °C.
Установлено, что максимальная продолжительность остановки сердечной деятельности для организма человека во время искусственного охлаждения составляет 77 мин, а для собаки — 180 мин.
В зависимости от степени понижения температуры тела при гипотермии резко снижается и обмен веществ в организме, а в связи с этим уменьшается потребность тканей в кислороде. По утверждению Бигелоу и его сотрудников, при гипотермии, которая проводится на фоне блокирования терморегулирующих механизмов (с помощью фармакологических средств), потребность в кислороде при температуре тела 20 °C падает в среднем до 15 % исходной величины, а при температуре тела 25 °C — до 35 %. Беринг и его сотрудники установили, что при температуре тела 27 °C потребление кислорода в тканях головного мозга понижается от 2,5–4,7 (норма) до 0,3–1 мл на 100 г в минуту.
Потребление кислорода сердечной мышцей понижается в меньшей степени, чем головным мозгом и другими тканями, — в среднем на 50 % по сравнению с нормальными величинами. В связи с резким снижением потребности тканей организма в кислороде повышается его устойчивость к различным формам острой кислородной недостаточности.
В 1955 г. исследования Е. В. Гублера показали, что при экспериментальной гипотермии у собак при понижении температуры тела до 25–28 °C их устойчивость к кислородному голоданию повышается в среднем в 3 раза по сравнению с контрольными собаками с нормальной температурой тела. Установлено, что допустимый предел выключения сердца из системы кровообращения при гипотермии при температуре 25–28 °C увеличивается с 3–5 мин (норма) до 15–20 мин, а период наступления клинической смерти продлевается до 30–40 мин. Все эти данные доказывают резкое повышение устойчивости тканей организма, в частности головного мозга, к кислородной недостаточности. В соответствии с понижением температуры тела уменьшается число сердечных сокращений, понижается артериальное давление, уменьшается ударный объем сердца. Артериальное давление при температуре тела 20 °C уменьшается в среднем на 15–20 % исходной величины. Особенно резкое понижение артериального давления и уменьшение частоты сокращений сердца наступают при понижении температуры тела ниже 25–26 °C. При температуре тела до 25 °C ударный объем сердца в среднем составляет 60 % нормы. Время для свертывания крови при гипотермии увеличивается, а следовательно, возрастает продолжительность кровотечений. Понижение температуры тела до 29–30 °C сопровождается сначала увеличением, а затем торможением электрической активности головного мозга. Согласно данным Бенуа и его сотрудников, электрическая активность коры головного мозга сохраняется при понижении температуры тела до 25 °C. Патофизиологические и биохимические данные дают возможность сделать заключение, что при гипотермии повышается устойчивость организма к различного рода травмам, в частности к операционным.
Использование гипотермии в клинической практике зависит от правильного проведения анестезии (введения наркоза). Независимо от применяемых наркотических и нейроплегических веществ при применении гипотермии анестезиолог должен проводить охлаждение на фоне достаточно глубокой блокады терморегулирующих механизмов. В противном случае вместо ожидаемого понижения обмена веществ и повышения устойчивости организма к травмам наступит повышение обмена веществ, да и само по себе охлаждение окажется тяжелой травмой. Но до сих пор нет единого мнения о выборе наркозов при гипотермии (например, Суан, Куприянов, Вишневский использовали эфир, а Мак Куистон — циклопропан).
За последние годы сверхнизкие температуры быстро вошли в медицинскую практику. Возник новый раздел, заимствованный из криобиологии, получивший название «криомедицина». Попытки использовать холод при работе с хирургическими инструментами делались еще в 1899 г., однако только в последнее время инженеры разработали надежные и универсальные криохирургические инструменты.
В Советском Союзе исследовательская работа по криомедицине в обширном объеме давно ведется в Институте проблем криобиологии и криомедицины Академии наук Украины. Под руководством профессора Николая Пушкаря разработан метод лечения ожогов и гнойных ран при помощи криовоздействия. Известно, что ныне чаще всего больных лечат антибиотиками, но некоторые микроорганизмы привыкают к ним. Когда же на пораженную ткань воздействуют низкими температурами, то все патогенные микроорганизмы погибают. При обработке раны (например, путем орошения ее жидким газом с низкой температурой) происходит криоразрушение ткани. Однако это приносит пользу, так как разрушается только больная ткань. Образуется мертвая зона, защищающую здоровую ткань — ту ткань, которая не поражена ни ожогом, ни микроорганизмами. В таком случае уже можно говорить о криозащите. В результате криовоздействия изменяется и характер заживления раны — ее регенерация. Приблизительно в 2 раза уменьшается глубина омертвевшей ткани. При ожогах обычно возникает токсикоз, так как обмен веществ в ткани нарушен. При воздействии низких температур токсикоз бывает выражен в значительно меньшей степени. Не образуются и грубые шрамы. При обработке холодом рана становится чистой, достаточно только закрыть пораженный участок и сделать пересадку кожи. Однако работы советских ученых все еще находятся на стадии опытов, которые нуждаются в последующих проверках в клинических условиях.
Советские ученые добились больших успехов и в области криохирургии. Прежде всего криохирургическая операция, при которой вместо скальпеля используют инструмент, например, иглу, постоянно охлаждаемую до температуры жидкого азота (-196 °C), фактически проходит безболезненно, и можно обойтись без наркоза. С другой стороны, нет необходимости в тщательно подготовленной операционной, можно оперировать в амбулаторных условиях, а если возникает необходимость — даже и в полевых условиях.
Огромный опыт работы с новыми криохирургическими инструментами накоплен в Московском научно-исследовательском институте глазных болезней им. Гельмгольца. Научно-технический прогресс с полной силой заявил о себе в области офтальмологии. Вот уже несколько лет в этом институте оперируют с помощью криогенных аппаратов, постепенно вытесняющих традиционные инструменты хирургов-офтальмологов. Ученые института разработали оригинальный метод удаления инородных тел из глаза с помощью криогенных аппаратов, названных криоэстракторами.
Они оказались незаменимыми в тех случаях, когда в глаз попадало инородное тело, не обладающее магнитными свойствами. До сих пор хирурги успешно удаляли «пылинки» из стали с помощью специальных магнитов. Но как удалить, например, крохотный осколочек стекла? В таких случаях на помощь приходит холод и криогенные аппараты, заменяющие пинцет. Рабочая часть криоэкстрактора представляет собой небольшой медный стержень, обернутый станиолем. В пространство между станиолем и стержнем подают жидкую углекислоту. Испаряясь, она понижает температуру инструмента; этим стержнем, охлажденным до температуры от -55 до -60 °C, с максимальной осторожностью прикасаются к ткани глаза, где «засел» кусочек опасного инородного тела. Он приклеивается к криоэкстрактору, после чего хирург без особых затруднений удаляет его из глаза.
Результаты клинических исследований показали исключительно высокую эффективность работы с криогенными аппаратами. В отличие от обычных аппаратов криогенные, благодаря тому что капилляры заморожены, не вызывают кровотечений в глазном яблоке. С помощью криоэкстрактора можно удалять инородные тела не только с поверхности, но и из глубины глаза, можно лечить заболевания роговицы и оперировать катаракту. Этот метод лечения сокращает время пребывания больных в лечебных заведениях: их можно выписывать на 5 — 6-й день после операции.
Советским ученым принадлежит честь разработки не только сложных криоинструментов. Например, криоскальпель создан для одноразового использования, по величине он не больше авторучки и назван «Криостилет 2001». Он легок, надежен, удобен для пользования и не требует никаких забот. Криостилет состоит из корпуса, из специальной пластмассы, теплоизолятора, баллончика, наполняемого охлаждающей жидкостью, и металлической иглы-наконечника. Когда в баллончик наливают охлаждающую жидкость, она охлаждает наконечник до определенной температуры, причем не сразу, а через 10 с после того, как нальют жидкость. Этого времени достаточно, чтобы хирург успел ввести наконечник инструмента в оперируемое поле, не опасаясь, что низкая температура повредит окружающую ткань глаза. Добавим, что и сам корпус криостилета надежно изолирует ткань от воздействия холода.
Сотрудники Всесоюзного научно-исследовательского и экспериментального института медицинской техники совместно с врачами из клиники болезней уха, горла, носа при Центральном институте усовершенствования врачей под руководством профессора И. Потапова создали оригинальный криоаппликатор и разработали методику бескровного разрушения миндалин под воздействием сверхнизких температур. Этот метод незаменим для пациентов, страдающих хроническим тонзиллитом, у которых имеется также хроническое воспаление печени или заболевание кроветворных органов. При таких случаях не могут быть применены традиционные методы удаления миндалин, так как при малейшей царапинке кровь долгое время не свертывается и трудно остановить кровотечение. В криоаппликаторе по тонкой трубочке, которая не толще авторучки, к наконечнику стекает жидкий азот (-196 °C). Достаточно слегка прикоснуться охлажденным наконечником к больной миндалине, и она начинает быстро замораживаться. Через две недели некротизированная ткань безболезненно отторгается. Чтобы как можно глубже разрушить миндалины, рекомендуется эту процедуру повторить. Разумеется, прежде чем применить этот аппарат в клинике на людях, профессор П. Рудня проделал сотни опытов на животных, замораживая им миндалины. И только после того, как было доказано преимущество нового метода, его безопасность, бескровность и незначительная травматичность, врачи решились применить его в клинических условиях. Криогенный метод воздействия на миндалины уже применяется во многих клиниках. Операции с использованием холода называют операциями по выбору, т. е. холоду отдается предпочтение в тех случаях, когда обычная хирургическая операция больному противопоказана. Профессор И. Потапов и его сотрудники с помощью холода излечили уже сотни больных, страдавших хроническим тонзиллитом. В клинику приезжают на обучение многие советские специалисты, а также хирурги из других стран. Метод криогенного воздействия нашел применение и при лечении других заболеваний, например, хронического насморка, фарингитов, опухолей и др.
Криогенный метод, хотя и с некоторым опозданием, теперь уверенно утвердился в оториноларингологии, а после этого его с успехом применили дерматологи, нейрохирурги, офтальмологи, гинекологи, урологи и специалисты из других областей медицины.
В ГДР доцент Матхоуз и сотрудники Медицинской академии в Дрездене разработали аппаратуру для операций глаза и опухолей с помощью глубокого замораживания тканей. Это зонды, острые стержни которых охлаждаются жидким азотом до температуры -196 °C. Работа с такими аппаратами проходит почти безболезненно для пациента, так как холод действует обезболивающе. Клетки, которые иногда бывают повреждены зондами, заменяются самим организмом или отторгаются от него.
Криохирургия сегодня находит применение и при сложных операциях мозга. Ей подвластны и операции по удалению опухолей в носовой полости.
В современной медицине сейчас успешно применяется в технике низких температур томограф с ядерным магнитным резонансом. Он напоминает огромный термос. В него помещают пациента, тело которого обследуется с особенной тщательностью.
Совершенно очевидно, что благодаря возникновению новой отрасли биологической науки криобиологии, объектом которой является жизнь при низких температурах, раскрываются блестящие перспективы и перед ее ответвлением — криомедициной, использующей методы гипотермии и криохирургии. И все это делается во имя самого ценного для человек — здоровья и продления жизни.