Отравление угарным газом обычно происходит при вдыхании чрезмерного количества угарного газа ( CO). [3] Симптомы часто описываются как « гриппоподобные » и обычно включают головную боль , головокружение , слабость, рвоту, боль в груди и спутанность сознания . [1] Большие дозы могут привести к потере сознания , аритмии , судорогам или смерти. [1] [2] Классически описываемая «вишнево-красная кожа» встречается редко. [2] Долгосрочные осложнения могут включать хроническую усталость, проблемы с памятью и двигательные проблемы. [5]
CO — это бесцветный и не имеющий запаха газ, который изначально не вызывает раздражения. [5] Он вырабатывается при неполном сгорании органических веществ . [5] Это может происходить из -за автомобилей , обогревателей или кухонного оборудования, работающих на углеродном топливе . [1] Угарный газ в первую очередь вызывает неблагоприятные эффекты, соединяясь с гемоглобином и образуя карбоксигемоглобин (символ COHb или HbCO), препятствуя переносу кислорода кровью и вытесняя углекислый газ в виде карбаминогемоглобина . [5] Кроме того, затрагиваются многие другие гемопротеины , такие как миоглобин , цитохром P450 и митохондриальная цитохромоксидаза , а также другие металлические и неметаллические клеточные мишени. [2] [6]
Диагностика обычно основывается на уровне HbCO более 3% среди некурящих и более 10% среди курильщиков. [2] Биологический порог толерантности к карбоксигемоглобину обычно принимается равным 15% COHb, что означает, что токсичность постоянно наблюдается при уровнях, превышающих эту концентрацию. [7] FDA ранее установило порог в 14% COHb в некоторых клинических испытаниях, оценивающих терапевтический потенциал оксида углерода. [8] В целом, 30% COHb считается тяжелым отравлением оксидом углерода. [9] Самый высокий зарегистрированный нефатальный уровень карбоксигемоглобина составил 73% COHb. [9]
Меры по предотвращению отравления включают в себя детекторы угарного газа , надлежащую вентиляцию газовых приборов , поддержание чистоты дымоходов и поддержание выхлопных систем транспортных средств в хорошем состоянии. [1] Лечение отравления обычно заключается в подаче 100% кислорода вместе с поддерживающей терапией . [2] [5] Эта процедура часто выполняется до тех пор, пока симптомы не исчезнут, а уровень HbCO не станет менее 3%/10%. [2]
Отравление угарным газом встречается относительно часто, приводя к более чем 20 000 обращений в отделения неотложной помощи в год в Соединенных Штатах. [1] [10] Это наиболее распространенный тип смертельного отравления во многих странах. [11] В Соединенных Штатах случаи, не связанные с пожаром, приводят к более чем 400 смертельным случаям в год. [1] Отравления чаще происходят зимой, особенно при использовании переносных генераторов во время отключений электроэнергии . [2] [12] Токсическое действие CO известно с древнейших времен . [13] [9] Открытие того, что гемоглобин подвержен влиянию CO, было сделано в ходе исследования Джеймсом Уаттом и Томасом Беддоусом терапевтического потенциала гидрокарбоната в 1793 году и позднее подтверждено Клодом Бернаром между 1846 и 1857 годами . [9]
Угарный газ не токсичен для всех форм жизни, и его токсичность является классическим дозозависимым примером гормезиса . Небольшие количества угарного газа естественным образом производятся посредством многих ферментативных и неферментативных реакций в филогенетических царствах, где он может служить важным нейротрансмиттером (подкатегоризируется как газотрансмиттер ) и потенциальным терапевтическим средством. [14] В случае прокариот некоторые бактерии производят, потребляют и реагируют на угарный газ, тогда как некоторые другие микробы восприимчивы к его токсичности. [6] В настоящее время не известно никаких неблагоприятных эффектов на фотосинтезирующие растения. [15]
Вредные эффекты оксида углерода обычно связывают с простетическим гемом гемопротеинов , что приводит к вмешательству в клеточные операции, например: оксид углерода связывается с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин , который влияет на газообмен и клеточное дыхание . Вдыхание чрезмерно высоких концентраций газа может привести к гипоксическому поражению , повреждению нервной системы и даже смерти .
Как впервые было установлено Эстер Киллик , [9] разные виды и разные люди в разных демографических группах могут иметь разные уровни переносимости оксида углерода. [16] Уровень переносимости оксида углерода для любого человека изменяется под воздействием нескольких факторов, включая генетику (мутации гемоглобина), поведение, такое как уровень активности, скорость вентиляции , уже существующие церебральные или сердечно-сосудистые заболевания , сердечный выброс , анемия , серповидноклеточная анемия и другие гематологические расстройства, география и барометрическое давление , а также скорость метаболизма . [17] [18] [19] [9]
Окись углерода вырабатывается естественным образом в результате многих физиологически значимых ферментативных и неферментативных реакций [6], наилучшим примером которых является гем-оксигеназа, катализирующая биотрансформацию гема (железного протопорфирина ) в биливердин и, в конечном итоге, билирубин . [20] Помимо физиологической сигнализации , большая часть окиси углерода хранится в виде карбоксигемоглобина на нетоксичных уровнях ниже 3% HbCO. [21]
Небольшие количества CO полезны, и существуют ферменты, которые производят его во время окислительного стресса. [20] Разрабатываются различные препараты для введения небольших количеств CO, эти препараты обычно называют молекулами, выделяющими оксид углерода . [14] [22] Исторически терапевтический потенциал искусственных воздухов , в частности оксида углерода в виде гидрокарбоната , исследовался Томасом Беддоузом , Джеймсом Уоттом , Тиберием Кавалло , Джеймсом Линдом , Хамфри Дэви и другими во многих лабораториях, таких как Пневматический институт . [9]
В среднем воздействие в концентрации 100 ppm или выше опасно для здоровья человека. [23] Рекомендуемый ВОЗ уровень воздействия CO в помещениях за 24 часа составляет 4 мг/м 3 . [24] Острое воздействие не должно превышать 10 мг/м 3 за 8 часов, 35 мг/м 3 за один час и 100 мг/м 3 за 15 минут. [25]
Основные проявления отравления угарным газом развиваются в системах органов, наиболее зависимых от использования кислорода, центральной нервной системе и сердце . [28] Первоначальные симптомы острого отравления угарным газом включают головную боль , тошноту , недомогание и усталость . [29] Эти симптомы часто ошибочно принимают за вирус, такой как грипп , или другие заболевания, такие как пищевое отравление или гастроэнтерит . [21] Головная боль является наиболее распространенным симптомом острого отравления угарным газом; ее часто описывают как тупую, лобную и непрерывную. [30] Увеличение воздействия вызывает сердечные нарушения, включая учащенное сердцебиение , низкое кровяное давление и сердечную аритмию ; [31] [32] симптомы со стороны центральной нервной системы включают делирий , галлюцинации , головокружение , неустойчивую походку , спутанность сознания , судороги , угнетение центральной нервной системы , потерю сознания , остановку дыхания и смерть . [33] [34] Менее распространенные симптомы острого отравления угарным газом включают ишемию миокарда , мерцательную аритмию , пневмонию , отек легких , высокий уровень сахара в крови , лактатацидоз , некроз мышц , острую почечную недостаточность , поражения кожи , а также проблемы со зрением и слухом. [31] [35] [36] [37] Воздействие угарного газа может привести к значительному сокращению продолжительности жизни из-за повреждения сердца . [38]
Одной из основных проблем после острого отравления угарным газом являются серьезные отсроченные неврологические проявления, которые могут возникнуть. Проблемы могут включать трудности с высшими интеллектуальными функциями, кратковременную потерю памяти , деменцию , амнезию , психоз , раздражительность, странную походку , нарушения речи, синдромы, подобные болезни Паркинсона , корковую слепоту и подавленное настроение . [21] [39] Депрессия может возникнуть у тех, у кого не было депрессии ранее. [40] Эти отсроченные неврологические последствия могут возникнуть у 50% отравленных людей через 2–40 дней. [21] Трудно предсказать, у кого разовьются отсроченные последствия; однако пожилой возраст, потеря сознания во время отравления и начальные неврологические отклонения могут увеличить вероятность развития отсроченных симптомов. [41]
Хроническое воздействие относительно низких уровней окиси углерода может вызвать постоянные головные боли, головокружение, депрессию, спутанность сознания, потерю памяти, тошноту, нарушения слуха и рвоту. [42] [43] Неизвестно, может ли хроническое воздействие низких уровней вызвать постоянные неврологические повреждения. [21] Как правило, после прекращения воздействия окиси углерода симптомы обычно проходят сами собой, если только не было эпизода тяжелого острого отравления. [42] Однако в одном случае была отмечена постоянная потеря памяти и проблемы с обучением после трехлетнего воздействия относительно низких уровней окиси углерода из неисправной печи. [44]
Хроническое воздействие может ухудшить сердечно-сосудистые симптомы у некоторых людей. [42] Хроническое воздействие угарного газа может увеличить риск развития атеросклероза . [45] [46] Длительное воздействие угарного газа представляет наибольший риск для лиц с ишемической болезнью сердца и беременных женщин. [47]
У подопытных животных окись углерода, по-видимому, ухудшает вызванную шумом потерю слуха в условиях воздействия шума, которые в противном случае имели бы ограниченное воздействие на слух. [48] У людей сообщалось о потере слуха после отравления окисью углерода. [43] В отличие от результатов исследований на животных, воздействие шума не было необходимым фактором для возникновения слуховых проблем.
Один из классических признаков отравления угарным газом чаще наблюдается у мертвых, чем у живых — людей описывают как краснощеких и здоровых. Однако, поскольку этот «вишнево-красный» вид чаще встречается у мертвых, он не считается полезным диагностическим признаком в клинической медицине. При вскрытии трупов появление отравления угарным газом примечательно, поскольку небальзамированные мертвецы обычно синеватые и бледные, тогда как мертвые, отравленные угарным газом, люди могут выглядеть необычно живыми по окраске. [49] [50] [51] Таким образом, красящий эффект угарного газа в таких посмертных обстоятельствах аналогичен его использованию в качестве красного красителя в коммерческой мясной промышленности .
Истинное число случаев отравления угарным газом неизвестно, поскольку многие нелетальные воздействия остаются незамеченными. [29] [52] Согласно имеющимся данным, отравление угарным газом является наиболее распространенной причиной травм и смерти из-за отравления во всем мире. [53] Отравления, как правило, чаще случаются в зимние месяцы. [28] [54] [55] [56] Это связано с более широким использованием в бытовых условиях газовых печей, газовых или керосиновых обогревателей и кухонных плит в зимние месяцы, которые, если неисправны и/или используются без достаточной вентиляции, могут производить чрезмерное количество угарного газа. [28] [57] Обнаружение и отравление угарным газом также увеличивается во время отключений электроэнергии, когда электрические отопительные и кухонные приборы выходят из строя, и жители могут временно прибегать к обогревателям, печам и грилям, работающим на топливе (некоторые из которых безопасны только для использования на открытом воздухе, но, тем не менее, ошибочно сжигаются в помещении). [58] [59] [60]
По оценкам, более 40 000 человек в год обращаются за медицинской помощью по поводу отравления угарным газом в Соединенных Штатах. [61] 95% смертей от отравления угарным газом в Австралии происходят из-за газовых обогревателей. [62] [63] Во многих промышленно развитых странах угарный газ является причиной более 50% смертельных отравлений. [11] В Соединенных Штатах ежегодно около 200 человек умирают от отравления угарным газом, связанного с бытовым топливным отопительным оборудованием. [64] Отравление угарным газом является причиной примерно 5 613 смертей от вдыхания дыма каждый год в Соединенных Штатах. [65] CDC сообщает: «Ежегодно более 500 американцев умирают от непреднамеренного отравления угарным газом, и более 2 000 совершают самоубийство, намеренно отравляя себя». [66] За 10-летний период с 1979 по 1988 год в Соединенных Штатах произошло 56 133 случая смерти от отравления угарным газом, из которых 25 889 были самоубийствами, а 30 244 случая непреднамеренной смерти. [65] Отчет из Новой Зеландии показал, что 206 человек умерли от отравления угарным газом в 2001 и 2002 годах. В общей сложности отравление угарным газом стало причиной 43,9% случаев смерти от отравления в этой стране. [67] В Южной Корее 1950 человек были отравлены угарным газом, из них 254 умерли с 2001 по 2003 год. [68] Отчет из Иерусалима показал, что 3,53 на 100 000 человек ежегодно отравлялись с 2001 по 2006 год. [69] В Хубэе , Китай, за 10-летний период было зарегистрировано 218 случаев смерти от отравления, из которых 16,5% были вызваны воздействием угарного газа. [70]
Угарный газ является продуктом сгорания органических веществ в условиях ограниченного поступления кислорода, что препятствует полному окислению до углекислого газа (CO 2 ). Источниками угарного газа являются сигаретный дым, домашние пожары, неисправные печи , обогреватели, дровяные печи , [76] выхлопные газы автомобилей с внутренним сгоранием , электрогенераторы , оборудование, работающее на пропане , такое как переносные печи, и бензиновые инструменты, такие как воздуходувки , газонокосилки, мойки высокого давления, пилы для резки бетона, электрические затирочные машины и сварочные аппараты. [21] [42] [77] [78] [79] [80] [81] Воздействие обычно происходит, когда оборудование используется в зданиях или полузакрытых помещениях. [21]
Езда в кузове пикапа привела к отравлению детей. [82] Работа автомобилей на холостом ходу с забитой снегом выхлопной трубой привела к отравлению пассажиров. [83] Любое отверстие между выпускным коллектором и кожухом может привести к попаданию выхлопных газов в салон. Генераторы и пропульсивные двигатели на лодках, особенно плавучих домах, привели к смертельному воздействию угарного газа. [84] [85]
Отравление может также произойти после использования автономного подводного дыхательного аппарата (SCUBA) из-за неисправных воздушных компрессоров для дайвинга . [86]
В пещерах окись углерода может накапливаться в закрытых камерах из-за присутствия разлагающегося органического вещества. [87] В угольных шахтах неполное сгорание может происходить во время взрывов, что приводит к образованию остаточного дыма . Газ содержит до 3% CO и может быть смертельным после всего лишь одного вдоха. [75] После взрыва в угольной шахте смежные взаимосвязанные шахты могут стать опасными из-за утечки остаточного дыма из шахты в шахту. Такой инцидент последовал за взрывом в Тримдон-Грейндж , в результате которого погибли люди в шахте Келлоу . [88]
Другим источником отравления является воздействие органического растворителя дихлорметана , также известного как метиленхлорид, который содержится в некоторых средствах для снятия краски , [89], поскольку в результате метаболизма дихлорметана образуется оксид углерода. [90] [91] [52] В ноябре 2019 года в Соединенных Штатах вступил в силу запрет Агентства по охране окружающей среды на использование дихлорметана в средствах для снятия краски для потребителей. [92]
Профилактика остается важной проблемой общественного здравоохранения , требующей просвещения населения по вопросам безопасной эксплуатации приборов, обогревателей, каминов и двигателей внутреннего сгорания, а также повышенного внимания к установке детекторов угарного газа . [54] Угарный газ не имеет вкуса, запаха и цвета, поэтому его нельзя обнаружить с помощью визуальных сигналов или запаха. [93]
Комиссия по безопасности потребительских товаров США заявила, что «детекторы угарного газа так же важны для безопасности дома, как и детекторы дыма», и рекомендует в каждом доме иметь по крайней мере один детектор угарного газа, и желательно по одному на каждом этаже здания. [64] Эти устройства, которые относительно недороги [94] и широко доступны, работают либо от батареек, либо от переменного тока, с резервным питанием или без него. [95] В зданиях детекторы угарного газа обычно устанавливаются вокруг обогревателей и другого оборудования. Если обнаруживается относительно высокий уровень угарного газа, устройство подает сигнал тревоги, давая людям возможность эвакуироваться и проветрить здание. [94] [96] В отличие от детекторов дыма , детекторы угарного газа не нужно размещать вблизи уровня потолка.
Использование детекторов угарного газа стандартизировано во многих областях. В США NFPA 720–2009, [97] руководящие принципы детекторов угарного газа, опубликованные Национальной ассоциацией противопожарной защиты , предписывают размещение детекторов/сигнализаций угарного газа на каждом уровне жилого помещения, включая подвал, в дополнение к внешним спальным зонам. В новых домах детекторы с питанием от переменного тока должны иметь резервное питание от батареи и быть взаимосвязаны для обеспечения раннего оповещения жильцов на всех уровнях. [97] NFPA 720-2009 является первым национальным стандартом по угарному газу, касающимся устройств в нежилых зданиях. Эти руководящие принципы, которые теперь относятся к школам, медицинским центрам, домам престарелых и другим нежилым зданиям, включают три основных пункта: [97]
Газовые организации часто рекомендуют проводить техническое обслуживание газовых приборов не реже одного раза в год. [98]
Стандарт NFPA не обязательно должен быть предписан законом. С апреля 2006 года в американском штате Массачусетс требуется наличие детекторов во всех жилых помещениях с потенциальными источниками CO, независимо от возраста здания и того, являются ли они собственностью владельца или сдаются в аренду. [99] Это требование обеспечивается муниципальными инспекторами и было навеяно смертью 7-летней Николь Гарофало в 2005 году из-за того, что снег заблокировал вентиляционное отверстие для отопления дома. [100] В других юрисдикциях может не быть никаких требований или наличие детекторов может быть обязательным только для нового строительства или во время продажи.
Следующие нормативные значения (округленные значения ppm) и периоды средневзвешенных по времени воздействий были определены таким образом, чтобы уровень карбоксигемоглобина (COHb) 2,5% не превышался, даже когда нормальный человек выполняет легкие или умеренные физические упражнения:
Поскольку многие симптомы отравления угарным газом также возникают при многих других типах отравлений и инфекций (например, гриппе), диагностика часто затруднена. [52] [101] История потенциального воздействия угарного газа, например, воздействие пожара в жилом помещении, может указывать на отравление, но диагноз подтверждается измерением уровня угарного газа в крови. Это можно определить, измерив количество карбоксигемоглобина по сравнению с количеством гемоглобина в крови. [21]
Соотношение молекул карбоксигемоглобина к молекулам гемоглобина у среднестатистического человека может достигать 5%, хотя у курильщиков сигарет, выкуривающих по две пачки в день, этот показатель может достигать 9%. [102] У людей с симптомами отравления он часто находится в диапазоне 10–30%, в то время как у людей, которые умирают, посмертный уровень в крови может составлять 30–90%. [103] [104]
Поскольку люди могут продолжать испытывать значительные симптомы отравления угарным газом в течение длительного времени после того, как концентрация карбоксигемоглобина в их крови вернется к норме, явка на обследование с нормальным уровнем карбоксигемоглобина (что может иметь место на поздних стадиях отравления) не исключает отравления. [105]
Количественное определение оксида углерода в крови можно проводить с помощью спектрофотометрических методов или хроматографических методов для подтверждения диагноза отравления у человека или для оказания помощи в судебно-медицинском расследовании случаев смертельного отравления.
Для определения уровня карбоксигемоглобина можно использовать СО-оксиметр. [ 106 ] [107] Импульсные СО-оксиметры оценивают уровень карбоксигемоглобина с помощью неинвазивного зажима для пальца, аналогичного пульсовому оксиметру . [108] Эти устройства функционируют, пропуская различные длины волн света через кончик пальца и измеряя поглощение света различными типами гемоглобина в капиллярах. [109] Использование обычного пульсового оксиметра неэффективно при диагностике отравления угарным газом [110] , поскольку эти устройства могут быть неспособны отличить карбоксигемоглобин от оксигемоглобина. [111] Мониторинг СО в выдыхаемом воздухе предлагает альтернативу пульсовой СО-оксиметрии. Было показано, что уровни карбоксигемоглобина имеют сильную корреляцию с концентрацией СО в выдыхаемом воздухе. [112] [113] Однако многие из этих устройств требуют от пользователя глубокого вдоха и задержки дыхания, чтобы позволить CO из крови выйти в легкие, прежде чем можно будет выполнить измерение. Поскольку это невозможно у людей, которые не реагируют, эти устройства могут не подходить для использования при экстренном обнаружении отравления CO на месте происшествия.
При дифференциальной диагностике отравления угарным газом следует учитывать множество состояний. [28] [34] Самые ранние симптомы, особенно при низкоуровневом воздействии, часто неспецифичны и их легко спутать с другими заболеваниями, как правило, с гриппоподобными вирусными синдромами , депрессией , синдромом хронической усталости , болью в груди , мигренью или другими головными болями. [114] Угарный газ называют «великим имитатором» из-за того, что проявления отравления разнообразны и неспецифичны. [28] Другие состояния, включаемые в дифференциальную диагностику, включают острый респираторный дистресс-синдром , высотную болезнь , лактоацидоз , диабетический кетоацидоз , менингит , метгемоглобинемию или отравление опиоидами или токсическим алкоголем. [34]
Первоначальное лечение отравления угарным газом заключается в немедленном удалении человека из зоны воздействия, не подвергая опасности других людей. Тем, кто находится без сознания, может потребоваться проведение СЛР на месте. [49] Подача кислорода через маску без ребризера сокращает период полураспада угарного газа с 320 минут при дыхании обычным воздухом до всего лишь 80 минут. [33] Кислород ускоряет диссоциацию угарного газа из карбоксигемоглобина , тем самым превращая его обратно в гемоглобин . [16] [116] Из-за возможных серьезных последствий для ребенка беременные женщины лечатся кислородом в течение более длительного периода времени, чем небеременные люди. [117]
Гипербарический кислород также используется при лечении отравления угарным газом, поскольку он может ускорить диссоциацию CO от карбоксигемоглобина [16] и цитохромоксидазы [118] в большей степени, чем обычный кислород. Гипербарический кислород при давлении в три раза больше атмосферного сокращает период полураспада угарного газа до 23 минут по сравнению с 80 минутами для кислорода при обычном атмосферном давлении. [16] Он также может улучшить транспорт кислорода к тканям плазмой, частично минуя нормальный перенос через гемоглобин. [116] Однако спорно, действительно ли гипербарический кислород дает какие-либо дополнительные преимущества по сравнению с обычным кислородом с высоким потоком с точки зрения повышения выживаемости или улучшения долгосрочных результатов. [119] [120] [121] [122] [123] [124] Были проведены рандомизированные контролируемые исследования , в которых сравнивались два варианта лечения; [125] [126] [127] [128] [129] [130] из шести проведенных исследований, четыре обнаружили, что гипербарический кислород улучшает исход, а два не обнаружили никакой пользы от гипербарического кислорода. [119] Некоторые из этих исследований подверглись критике за очевидные недостатки в их реализации. [131] [132] [133] [134] Обзор всей литературы пришел к выводу, что роль гипербарического кислорода неясна, и имеющиеся доказательства не подтверждают и не отрицают медицински значимую пользу. Авторы предложили провести крупное, хорошо спланированное, прошедшее внешний аудит, многоцентровое исследование для сравнения обычного кислорода с гипербарическим кислородом. [119] Хотя гипербарическая кислородная терапия используется при тяжелых отравлениях, ее польза по сравнению со стандартной доставкой кислорода неясна. [2] [120]
Может потребоваться дальнейшее лечение других осложнений, таких как судороги , гипотония, сердечные нарушения, отек легких и ацидоз . Гипотония требует лечения внутривенными жидкостями; вазопрессоры могут потребоваться для лечения миокардиальной депрессии. [135] Сердечные аритмии лечатся стандартными расширенными протоколами поддержки сердечной деятельности. [21] В тяжелых случаях метаболический ацидоз лечится бикарбонатом натрия . Лечение бикарбонатом натрия является спорным, поскольку ацидоз может увеличить доступность кислорода к тканям. [136] Лечение ацидоза может состоять только из кислородной терапии. [21] [34] Замедленное развитие нейропсихических нарушений является одним из самых серьезных осложнений отравления угарным газом. Повреждение мозга подтверждается после МРТ или КТ- сканирования. [29] [137] [138] Обширное последующее наблюдение и поддерживающее лечение часто требуются для отсроченного неврологического повреждения. [33] Последствия отравления часто трудно предсказать, [139] особенно у людей с симптомами остановки сердца , комы , метаболического ацидоза или с высоким уровнем карбоксигемоглобина. [34] В одном исследовании сообщается, что примерно у 30% людей с тяжелым отравлением угарным газом наступает летальный исход. [52] Сообщалось, что электросудорожная терапия (ЭСТ) может увеличить вероятность отсроченных нейропсихиатрических последствий (ДНС) после отравления угарным газом (СО). [140] Также может использоваться устройство, которое также обеспечивает некоторое количество углекислого газа для стимуляции более быстрого дыхания (продается под торговой маркой ClearMate). [141]
Точные механизмы, посредством которых воздействие окиси углерода на системы организма индуцируется, сложны и еще не полностью изучены. [29] Известные механизмы включают связывание окиси углерода с гемоглобином , миоглобином и митохондриальной цитохром с оксидазой и ограничение подачи кислорода, а также окиси углерода, вызывающей перекисное окисление липидов мозга . [33] [49] [142]
Угарный газ имеет более высокий коэффициент диффузии по сравнению с кислородом, и основным ферментом в организме человека, который производит угарный газ, является гем-оксигеназа , которая находится почти во всех клетках и тромбоцитах. [6] Большая часть эндогенно производимого CO хранится связанным с гемоглобином в виде карбоксигемоглобина . Упрощенное понимание механизма токсичности угарного газа основано на избытке карбоксигемоглобина, снижающем способность крови доставлять кислород к тканям по всему телу. У людей сродство между гемоглобином и угарным газом примерно в 240 раз сильнее, чем сродство между гемоглобином и кислородом. [49] [143] [144] Однако некоторые мутации, такие как мутация Hb-Kirklareli, имеют относительное сродство к угарному газу в 80 000 раз большее, чем к кислороду, в результате чего системный карбоксигемоглобин достигает устойчивого уровня 16% COHb. [9]
Гемоглобин представляет собой тетрамер с четырьмя простетическими гемовыми группами, которые служат сайтами связывания кислорода. Средний эритроцит содержит 250 миллионов молекул гемоглобина, следовательно, 1 миллиард сайтов гема, способных связывать газ. [6] Связывание оксида углерода в любом из этих сайтов увеличивает сродство к кислороду оставшихся трех сайтов, что заставляет молекулу гемоглобина удерживать кислород, который в противном случае был бы доставлен в ткань; поэтому связывание оксида углерода в любом сайте может быть столь же опасным, как и связывание оксида углерода со всеми сайтами. [142] Доставка кислорода в значительной степени обусловлена эффектом Бора и эффектом Холдейна . Чтобы предоставить упрощенный синопсис молекулярного механизма системного газообмена с точки зрения неспециалиста , при вдыхании воздуха широко считалось, что связывание кислорода с любым из сайтов гема вызывает конформационное изменение в глобиновой /белковой единице гемоглобина, что затем позволяет связывать дополнительный кислород с каждым из других вакантных сайтов гема. По прибытии в клетку/ткани высвобождение кислорода в ткань обусловлено «подкислением» локального pH (что означает относительно более высокую концентрацию «кислых» протонов/ ионов водорода ), вызванным увеличением биотрансформации отходов углекислого газа в угольную кислоту через карбоангидразу . Другими словами, оксигенированная артериальная кровь поступает в клетки в «R-состоянии гемоглобина», которое имеет депротонированные/неионизированные аминокислотные остатки (относительно азота/ аминов ) из-за менее кислой артериальной среды pH (артериальная кровь в среднем имеет pH 7,407, тогда как венозная кровь немного более кислая при pH 7,371). «T-состояние» гемоглобина дезоксигенируется в венозной крови частично из-за протонирования/ионизации, вызванной кислой средой, что приводит к конформации, не подходящей для связывания кислорода (другими словами, кислород «выбрасывается» по прибытии в клетку, потому что кислота «атакует» амины гемоглобина, вызывая ионизацию/протонирование остатков амина, что приводит к изменению конформации, не подходящей для удержания кислорода). Кроме того, механизм образования карбаминогемоглобина генерирует дополнительные «кислые» ионы водорода, которые могут дополнительно стабилизировать протонированный/ионизированный дезоксигенированный гемоглобин. После возврата венозной крови в легкие и последующего выдыхания углекислого газа кровь «де-кислотируется» (см. также: гипервентиляция) позволяя депротонированию/унионизации гемоглобина затем снова включить связывание кислорода как часть перехода к артериальной крови (обратите внимание, что этот процесс сложен из-за участия хеморецепторов и других физиологических функций). Окись углерода не «выбрасывается» из-за кислоты, поэтому отравление окисью углерода нарушает этот физиологический процесс, поэтому венозная кровь отравленных пациентов ярко-красная, похожая на артериальную кровь, поскольку карбонил/окись углерода удерживается. Гемоглобин темный в дезоксигенированной венозной крови, но он имеет ярко-красный цвет при переносе крови в оксигенированной артериальной крови и при преобразовании в карбоксигемоглобин как в артериальной, так и в венозной крови, поэтому отравленные трупы и даже коммерческое мясо, обработанное окисью углерода, приобретают неестественный живой красноватый оттенок. [145]
При токсических концентрациях оксид углерода в виде карбоксигемоглобина значительно влияет на дыхание и газообмен, одновременно подавляя получение и доставку кислорода клеткам и предотвращая образование карбаминогемоглобина , на долю которого приходится около 30% экспорта углекислого газа. Поэтому пациент с отравлением оксидом углерода может испытывать тяжелую гипоксию [21] и ацидоз (потенциально как респираторный ацидоз , так и метаболический ацидоз ) в дополнение к токсичности избыточного оксида углерода, ингибирующего многочисленные гемопротеины, металлические и неметаллические мишени, которые влияют на клеточные механизмы.
Угарный газ также связывается с гемопротеином миоглобином . Он имеет высокое сродство к миоглобину, примерно в 60 раз большее, чем у кислорода. [21] Угарный газ, связанный с миоглобином, может ухудшить его способность использовать кислород. [49] Это вызывает снижение сердечного выброса и гипотонию , что может привести к ишемии мозга . [21] Сообщалось о задержке возвращения симптомов. Это происходит после рецидива повышенных уровней карбоксигемоглобина; этот эффект может быть вызван поздним высвобождением угарного газа из миоглобина, который впоследствии связывается с гемоглобином. [11]
Другой механизм включает воздействие на митохондриальную дыхательную ферментную цепь, которая отвечает за эффективное использование кислорода тканями. Окись углерода связывается с цитохромоксидазой с меньшим сродством, чем кислород, поэтому возможно, что для связывания требуется значительная внутриклеточная гипоксия. [146] Это связывание мешает аэробному метаболизму и эффективному синтезу аденозинтрифосфата . Клетки реагируют переключением на анаэробный метаболизм , вызывая аноксию , молочнокислый ацидоз и в конечном итоге гибель клетки. [147] Скорость диссоциации между окисью углерода и цитохромоксидазой низкая, что приводит к относительно длительному нарушению окислительного метаболизма . [29]
Механизм, который, как полагают, оказывает значительное влияние на отсроченные эффекты, включает сформированные клетки крови и химические медиаторы, которые вызывают перекисное окисление липидов мозга (деградацию ненасыщенных жирных кислот). Окись углерода вызывает высвобождение эндотелиальными клетками и тромбоцитами оксида азота и образование свободных радикалов кислорода, включая пероксинитрит . [29] В мозге это вызывает дальнейшую дисфункцию митохондрий, капиллярную утечку, секвестрацию лейкоцитов и апоптоз . [148] Результатом этих эффектов является перекисное окисление липидов , которое вызывает отсроченную обратимую демиелинизацию белого вещества в центральной нервной системе, известную как миелинопатия Гринкера , которая может привести к отеку и некрозу в мозге. [142] Это повреждение мозга происходит в основном в период восстановления. Это может привести к когнитивным дефектам, особенно влияющим на память и обучение, а также к двигательным расстройствам. Эти расстройства обычно связаны с повреждением белого вещества мозга и базальных ганглиев . [148] [149] Характерными патологическими изменениями после отравления являются двусторонний некроз белого вещества, бледного шара , мозжечка , гиппокампа и коры головного мозга . [23] [21] [150]
Отравление окисью углерода у беременных женщин может вызвать серьезные неблагоприятные последствия для плода . Отравление вызывает гипоксию тканей плода за счет снижения высвобождения кислорода матери к плоду. Окись углерода также проникает через плаценту и соединяется с гемоглобином плода , вызывая более прямую гипоксию тканей плода. Кроме того, гемоглобин плода имеет на 10–15 % более высокое сродство к окисью углерода, чем гемоглобин взрослого человека, вызывая более тяжелое отравление у плода, чем у взрослого. [11] Выведение окись углерода происходит медленнее у плода, что приводит к накоплению токсичного химического вещества. [151] Уровень заболеваемости и смертности плода при остром отравлении окисью углерода значителен, поэтому, несмотря на легкое отравление матери или последующее выздоровление матери, все равно может произойти тяжелое отравление плода или смерть. [152]
Люди поддерживали сложные отношения с оксидом углерода с тех пор, как научились контролировать огонь около 800 000 лет до нашей эры. Первобытные пещерные люди , вероятно, обнаружили токсичность оксида углерода, когда развели огонь в своих жилищах. Раннее развитие металлургии и плавильных технологий, появившихся около 6000 лет до нашей эры и вплоть до бронзового века , также мучило человечество воздействием оксида углерода. Помимо токсичности оксида углерода, коренные индейцы Америки могли испытывать нейроактивные свойства оксида углерода во время шаманских ритуалов у костра. [9]
Ранние цивилизации разработали мифологические истории, чтобы объяснить происхождение огня, такие как Вулкан , Пхармат и Прометей из греческой мифологии, которые делили огонь с людьми. Аристотель (384–322 до н. э.) первым записал, что горящие угли производят токсичные пары. Греческий врач Гален (129–199 н. э.) предположил, что произошло изменение в составе воздуха, которое причиняло вред при вдыхании, и симптомы отравления CO появились в Quaestiones Medicae et Problemata Naturalia Кассия Ятрософиста около 130 г. н. э. [9] Юлиан Отступник , Целий Аврелиан и несколько других аналогичным образом задокументировали ранние знания о симптомах токсичности отравления угарным газом, вызванного угольными парами в древности. [9]
Задокументированные Ливием и Цицероном случаи намекают на то, что угарный газ использовался как метод самоубийства в Древнем Риме . [9] [153] Император Луций Вер использовал дым для казни заключенных. [9] Многие смерти были связаны с отравлением угарным газом, включая смерть императора Иовиана , императрицы Фаусты и Сенеки . [9] Самой громкой смертью от отравления угарным газом, возможно, были смерть Клеопатры [9] или Эдгара Аллана По . [154]
В пятнадцатом веке шахтеры считали, что внезапная смерть была вызвана злыми духами ; отравление угарным газом связывалось со сверхъестественными и паранормальными явлениями, колдовством и т. д. на протяжении последующих столетий [9], в том числе и в наши дни, примером чего являются исследования Кэрри Поппи . [155]
Георг Эрнст Шталь упомянул carbonarii halitus в 1697 году в связи с токсичными парами, которые считались окисью углерода. Фридрих Хоффман провел первое современное научное исследование отравления окисью углерода от угля в 1716 году, в частности, отвергнув жителей деревни, приписывающих смерть демоническим суевериям. Герман Бурхаве провел первые научные эксперименты по воздействию окиси углерода (угольных паров) на животных в 1730-х годах. [9] Джозефу Пристли приписывают первый синтез окиси углерода в 1772 году, которую он назвал тяжелым воспламеняющимся воздухом, а Карл Вильгельм Шееле выделил окись углерода из угля в 1773 году, предположив, что она является токсичным веществом. [9]
Дозозависимый риск отравления оксидом углерода в виде гидрокарбоната исследовался в конце 1790-х годов Томасом Беддоузом , Джеймсом Уоттом , Тиберием Кавалло , Джеймсом Линдом , Хэмфри Дэви и многими другими в контексте вдыхания искусственных воздухов , большая часть которых проводилась в Пневматическом институте . [9]
Уильям Круикшанк открыл оксид углерода как молекулу, содержащую один атом углерода и один атом кислорода в 1800 году, тем самым положив начало современной эре исследований, сосредоточенных исключительно на оксиде углерода. Механизм токсичности был впервые предложен Джеймсом Уаттом в 1793 году, затем Адриеном Шено в 1854 году и, наконец, продемонстрирован Клодом Бернаром после 1846 года, опубликован в 1857 году, а также независимо опубликован Феликсом Хоппе-Сейлером в том же году. [9]
Первое контролируемое клиническое исследование токсичности оксида углерода состоялось в 1973 году. [9]
Отравление угарным газом преследует шахтеров уже много столетий. В контексте горнодобывающей промышленности угарный газ широко известен как белый дым . Джон Скотт Холдейн определил угарный газ как смертельный компонент вторичного дыма , газа, образующегося при сгорании , после обследования множества тел шахтеров, погибших при взрывах в шахтах. [9] К 1911 году Холдейн ввел использование мелких животных для шахтеров, чтобы определять опасные уровни угарного газа под землей, либо белых мышей, либо канареек, которые плохо переносят угарный газ, тем самым обеспечивая раннее предупреждение, то есть канарейку в угольной шахте . [9] Канарейка в британских шахтах была заменена в 1986 году электронным газоанализатором.
Первый качественный аналитический метод определения карбоксигемоглобина появился в 1858 году с колориметрическим методом, разработанным Феликсом Хоппе-Зейлером , а первый количественный метод анализа появился в 1880 году с Йозефом фон Фодором . [9]
Использование кислорода началось с отдельных сообщений, таких как случай, когда Хэмфри Дэви лечился кислородом в 1799 году, вдыхая три кварты гидрокарбоната ( водяного газа ). [9] Сэмюэл Уиттер разработал протокол ингаляции кислорода в ответ на отравление угарным газом в 1814 году. [9] Аналогичным образом, протокол ингаляции кислорода был рекомендован при малярии (дословно переводится как «плохой воздух») в 1830 году на основе симптомов малярии, совпадающих с отравлением угарным газом. [9] Другие протоколы кислорода появились в конце 1800-х годов. [10] Использование гипербарического кислорода у крыс после отравления было изучено Холдейном в 1895 году, в то время как его использование у людей началось в 1960-х годах. [153]
Самым страшным случаем массового отравления угарным газом стала катастрофа поезда Бальвано , произошедшая 3 марта 1944 года в Италии, когда грузовой поезд с большим количеством нелегальных пассажиров застрял в туннеле, что привело к гибели более 500 человек. [156]
Предполагается, что более 50 человек погибли от отравления дымом в результате резни в секте «Ветвь Давида» во время осады Уэйко в 1993 году. [157]
В древней истории Ганнибал казнил римских пленных угольным дымом во время Второй Пунической войны . [9]
Уничтожение бродячих собак с помощью камеры с угарным газом было описано в 1874 году. [9] В 1884 году в журнале Scientific American появилась статья, описывающая использование камеры с угарным газом для операций на бойнях , а также для эвтаназии различных животных. [158]
В рамках Холокоста во время Второй мировой войны нацисты использовали газовые фургоны в лагере смерти Хелмно и в других местах , чтобы убить, по оценкам, 700 000 или более человек путем отравления угарным газом. Этот метод также использовался в газовых камерах нескольких лагерей смерти, таких как Треблинка , Собибор и Белжец . Газация угарным газом началась в Action T4 . Газ поставлялся IG Farben в баллонах под давлением и подавался по трубам в газовые камеры, построенные в различных психиатрических больницах, таких как Центр эвтаназии Хартхайм . Например, для подачи газа в камеры использовались выхлопные газы танковых двигателей. [159]
{{cite journal}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )