Ксенон в медицине    

Ксенон, как и другие инертные газы, широко представлен во Вселенной – в атмосфере, природных газах, минералах, космосе. Но количество его по сравнению с большинством химических элементов ничтожно мало. Относительная распространенность атомов ксенона на Земле (включая океаны, атмосферу) характеризуется величиной 2,39×10-11. Содержание ксенона в атмосферном воздухе по объему и весу составляет соответственно 0,000087 и 0,000039 %.

Ксенон (Хе) – химический элемент VIII группы периодической системы Д. И. Менделеева. Его открыл английский химик и физик Уильям Рамзай в 1898 г. На счету ученого – пять инертных газов, которые он дал миру за четыре года. Заполнил восьмую группу периодической таблицы Д. И. Менделеева и был удостоен Нобелевской премии (1904 г.).

 Новый ксенон получил свое название от греческого «хенос», что значит чужой, так как является примесью к криптону. Последний – также инертный газ. Его название в переводе с греческого означает "скрытый". Оно связано с трудностями получения криптона. В 1940-х годах действие ксенона изучал профессор кафедры фармакологии Военно-медицинской академии Николай Васильевич Лазарев. Он и описал его возможности. Действующие и предсказуемые.

 В прошлом веке ксенон, как средство для наркоза, первыми применили в медицине американские ученые (1951 г.). В третьем тысячелетии клиническое внедрение ксенона в медицину первыми применили российские ученые. На сегодняшний день воздух остается наиболее освоенным, а также неисчерпаемым и неизменным по составу источником промышленного получения ксенона.

 Как бы интенсивно не извлекался ксенон из воздуха, он вновь и вновь туда возвращается после использования. Не меняет свой химический состав, физическое состояние и – без каких-либо потерь. Правило постоянства (точнее очень медленного наращивания запасов) ксенона не нарушится даже в том случае, если производство его достигнет внушительных размеров. Ведь использование ксенона неизбежно сопровождается его возвращением в атмосферу.

 При таком положении вещей один миллиард тонн ксенона, который содержится в земной атмосфере, в состоянии обеспечить на неопределенно долгое время потребности человечества в этом газе при любом высоком уровне его потребления.

 В атмосферном воздухе относительно малое содержание ксенона. Для получения кубического метра газа надо подвергнуть обработке по меньшей мере 11 миллионов кубических метров воздуха. Но при существующих масштабах разделения воздуха для получения из него главным образом кислорода и азота, можно извлекать довольно значительные количества криптона и ксенона.

 В настоящее время основным источником промышленного ксенона в России являются кислородные производства металлургических комбинатов. Поэтому масштабы получаемого ксенона ограничены производительностью криогенных воздухоразделительных установок этих комбинатов… Однако нельзя не остановиться на одной проблемной ситуации. Она возникает при выработке криптона и ксенона из воздуха на кислородных производствах металлургических комбинатов. Здесь используется кислородное дутье – процесс экологически «грязный». Именно поэтому подобные производства в больших объемах были закрыты в Западной Европе, что привело к существенному сокращению производства и криптона, и ксенона. Очевидно, в скором времени эта тенденция дойдет до России и Украины, где в основном сосредоточены крупнотоннажные производства этих благородных газов. Необходимы новые технологии получения ксенона и криптона, и такие технологии уже разработаны.

Получение криптона и ксенона из воздуха может основываться на мембранных технологиях, которые во всех отношениях (экологических, экономических, эксплуатационных) предпочтительнее прямого производства криптона и ксенона методом ректификационного разделения воздуха. И это не единственное решение увеличения объемов их производства на ближайшее будущее.

Понятно, что и ксенон, и криптон являются тяжелыми газами. Уступают по этому показателю только радону. И по логике вещей тяжелый газ должен «уходить», хотя бы частично, в землю, скапливаться там в газоносных образованиях. И эта идея была проверена в 1993-1994 гг. группой специалистов НИКИЭТ – двух дочерних его предприятий – Техноцентром и Центром высокотемпературной техники. Каково же было удивление, когда в природном газе (первый эксперимент проводился путем отбора ксенона из централизованной подачи) искомого элемента не обнаружили. И тогда забор проб взяли непосредственно в устье нескольких газовых скважин в Тюменской области. Результаты превзошли самые смелые предположения – содержание ксенона в природном газе составляло в некоторых пробах более 2000 ppm, что на несколько порядков выше его содержания в воздухе. Однако в этом случае добыть ксенон из природного газа не так-то просто. Для этого необходимо сжижение природного газа сразу же после его добычи. При других технологических операциях с газообразным природным газом из него уходит ксенон. Как известно, один из уже освоенных вариантов транспортировки природного газа – доставка его на специальные производства в сжиженном состоянии. В этом случае извлечение ксенона из природного газа вполне решаемая техническая и технологическая задача…

Очень жаль, что для продолжения исследовательских работ не было средств. И это, крайне интересное и прибыльное для России решение, осталось в закромах идей, на которые атомная отрасль всегда была богата. К сожалению, в последние годы технически реализованных идей становится все меньше и меньше… А мир продолжает научный поиск экологически чистых анестетиков и новых внутривенных наркотических средств. И ученые прогрессивных стран в последнее десятилетие вновь возвращаются к проблеме экологически чистой и безопасной ксеноновой анестезии, изучают возможности медицинского использования газа, проводят комплексные доклинические и клинические испытания. Основной их вывод – ксенон является новым экологически чистым, сильным газовым анестетиком. Не обладает ни общим, ни специфическим видами токсичности. Хорошо переносится организмом человека и животных и является одним из самых перспективных анестетиков XXI века. В первую очередь, ксенон интересен своими физико-химическими свойствами. Ксенон – инертный одноатомный газ без запаха, цвета и вкуса. Не горит, не детонирует и не поддерживает горение. Химически индифферентен, не подвергается биотрансформации в организме. Не раздражает дыхательные пути, быстро выделяется через легкие в неизменном виде. Ксенон может применяться для проведения ингаляционного наркоза при различных оперативных вмешательствах, болезненных манипуляциях, а также для лечения болевых симптомов и других патологических состояний. Наиболее показан пациентам с высокой степенью операционно-анестезиологического риска или ослабленным, независимо от возрастных различий. По своей индифферентности и отсутствию токсичности газ ксенон не имеет противопоказаний. Легко переносится организмом человека. Потенциальными потребителями ксенона являются медицинские учреждения, использующие ингаляционный наркоз в своей деятельности, имеющие соответствующее оборудование для анестезии и квалифицированный персонал.

Порядковый номер ксенона в периодической системе Менделеева 54. Молекулярный вес 131,3. Плотность 5,897 г/л, что в 4,5 раза тяжелее воздуха и в 3,2 раза выше, чем у наиболее распространенного в медицинской практике газообразного анестетика - закиси азота N2О. Точка кипения – 108,10°С, замерзания – 140°С. Коэффициент растворимости: масло/вода 20, кровь/газ 0,14. Последние показатели являются самыми важными физическими характеристиками ксенона. Они определяют быструю индукцию и быструю элиминациюгаза с мгновенным выходом из наркоза. В этом качестве ксенону нет равных среди анестетиков. Ксенон обладает более мощной наркотической силой по сравнению с N2О. Его минимальная альвелярная концентрация (МАК) равна 50 %, тогда как у закиси азота она равна 105 %. В условиях моноанестезии при концентрации 70 % ксенона через 5-6 мин вызывает хирургическую стадию наркоза, обеспечивает адекватную анестезиологическую защиту. Пробуждение наступает с полным восстановлением сознания и приятными ощущениями. В отличие от многих искусственно созданных анестетиков природный благородный газ ксенон абсолютно безопасен.

Как показали экспериментальные и клинические исследования, ксенон в концентрации 70 % не обладает токсическим эффектом ни в остром, ни в хроническом опытах. Не обладает мутагенным, тератогенным, эмбриотоксическим, аллергизирующим и канцерогенным действиями. Не оказывает влияния на репродуктивную функцию и не подавляет иммунитет. Клиническое применение анестезии ксеноном больных при операциях в общей хирургии полностью подтвердили безопасность газа. Ксенон официально разрешен для широкого медицинского применения в качестве средства для наркоза (приказ Министерства здравоохранения РФ № 363 от 08.10.1999).

История анестезиологии представляет собой процесс непрерывного поиска идеального анестетика и совершенствование методов анестезии. Эволюция этого процесса подсказывает, что уйдут в прошлое все галогеносодержащие анестетики. Потеряют свои позиции и современные ингаляционные парообразующие анестетики (десфлюран, севофлюран, изофлюран) как и великие их предшественники. Все они созданы разумом человека, руками химиков. Они токсичны и экологически опасны. Однако их вынуждены применять, поскольку нет лучшей альтернативы. Но вечно будет жить анестетик, полученный из воздуха, которым мы дышим. Его создала природа. Он близок к идеалу. Ксеноновая анестезия стала знаменательным явлением конца ХХ века. Ксенону принадлежит будущее. Он будет притягивать к себе ученых, его будут применять практические анестезиологи, его будут благодарить пациенты.

*****

Ксенон – официально разрешенный к применению медицинский препарат (регистрационное удостоверение № 99/363/4). Он оказывает сильное анальгезирующее и анестезирующее действие. Через пять минут после начала наркоза наступает стадия анестезии, соответствующая первому уровню хирургической стадии эфирного наркоза. Имеет сильно выраженные миорелаксирующие, анальгетические и анестезирующие свойства.

Ксенон может вводиться в сочетании с любыми лекарственными препаратами в соответствии с законом о ксеноне, которые применяют в анестезиологической практике: парообразными анестетиками, наркотическими анальгетиками, транквилизаторами, нейролептиками, антигистаминами и др. Во время анестезии обеспечивает стабильные показатели гемодинамики и газообмена. Хорошо контролируем. Позволяет очень быстро вывести пациента из состояния наркоза. Через две-три минуты после отключения подачи газа пациент приходит в сознание с полной ориентацией в обстановке. Через четыре-пять минут ксенон почти полностью элиминирует из организма через легкие. Спустя пять минут после отключения подачи ксенона его остаточная авеолярная концентрация снижается до двух процентов. Полное вымывание ксенона из организма происходит в течение достаточно долгого периода времени после анестезии. Возможно, этим объясняется еще одно положительное свойство ксенона – несколько пролонгированный эффект послеоперационной анальгезии. Это явление, по образному выражению профессора Виталия Васильевича Довгуши (директор НИИ промышленной и морской медицины), названо «постксеноновым действием».

Согласно его исследованиям, ксенон в этот период времени активирует жизненные функции органов и систем организма на клеточном уровне. Наркологический эффект ксенона прямо пропорционален его давлению в крови. При вдыхании он легко распределяется в легких. Быстро диффундирует. И в силу низкого коэффициента растворимости его авеолярная концентрация быстро выравнивается.

Ксенон не оказывает дополнительную фармакологическую нагрузку на печень. Является препаратом выбора для больных с печеночной недостаточностью. Его применение не имеет возрастных ограничений. Ксенон применяют в качестве газообразного наркоза для обезболивания хирургических операций, болезненных манипуляций, снятия болевых синдромов и приступов. Используют при масочном мононаркозе и в комбинированном эндотрахеальном наркозе в сочетании с различными седативными препаратами, нейролептиками, миорелаксантами и местными анестетиками. Применение ксенонового наркоза при родах позволяет полностью избежать последствий неблагоприятного влияния наркоза на развитие ребенка. Уникальные свойства газа позволяют использовать его не только в качестве средства для наркоза, но и применять для лечения некоторых заболеваний. Применение лечебного ксенонового наркоза эффективно лечит острый абстинентный синдром и постабстинентные состояния при опийной наркомании, особенно у больных, имеющих непереносимость специфических фармпрепаратов, используемых при терапии наркотической зависимости. Лечебный ксеноновый наркоз значительно уменьшает проявление вегетативных нарушений. Практически полностью купирует болевой синдром. Снижает до минимума фармакологическую нагрузку. Возможно применение ксенона и при лечении депрессивных состояний. Имеются данные о положительном влиянии ксенона на восстановление системы выработки эндоморфинов. Технология получения ксенона и других газов особой чистоты была разработана в НИКИЭТ. Своим рождением она обязана одному из направлений работ института – созданию ядерных энергодвигательных установок космического назначения. В частности, ядерной энергодвигательной установки для пилотируемой миссии на Марс. Ее теплоносителем при производстве электроэнергии является смесь гелия с ксеноном. Чистота газа в процессе работы поддерживается на высоком уровне (99,999%). Подобные требования к качеству газа привели к необходимости разработки специальных систем очистки, которые обеспечивали бы столь высокую его чистоту в течение десятков тысяч часов (3-5 лет). В процессе реализации своих конверсионных программ институт выиграл тендер на производство криптона и ксенона особой чистоты для крупной экспериментальной физической установки Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН, Женева, Швейцария). В 1993 г. построил завод по производству криптона в объеме 10000 м3 в год и ксенона - в объеме 1000 м3 в год. В мире тогда еще не было производства сверхчистого криптона и ксенона в промышленных масштабах. Россия была первой. Достаточно сказать, что контроль качества этих газов не мог производиться известными методами, так как содержание примесей, и в том числе тяжелых металлов, должно было быть на уровне нескольких частиц на миллиард. И тогда специалисты ЦЕРН предложили нестандартный косвенный способ измерения содержания примесей. Это – длина свободного пробега электрона в среде, которая зависит от числа соударений электрона с инородными частицами, содержащимися в газе. Поставленный НИКИЭТ газ полностью соответствовал предъявленным требованиям. Ксенон такого качества отвечает самым высоким требованиям и с позиций медицины. Это дало возможность нашим медикам развивать лечебные методики на основе использования сверхчистого ксенона опережающими темпами даже в то время, когда еще не было фармакопейной статьи на ксенон и все работы велись в соответствии с решением этического комитета. В основу сооружения завода были положены технологии, которые применялись при создании энергодвигательных установок. С 1993 г. было произведено более 50 тыс. м3 криптона и около 5000 м3 ксенона. Поставка сверхчистых газов криптона и ксенона осуществлялась в Швейцарию, Германию, Францию, Великобританию и другие страны.