Ингаляционный водород в реабилитационной программе медицинских работников, перенесших COVID-19

Введение

О положительном влиянии водорода при патологических состояниях было известно уже с 1880-х гг. Несмотря на это, в медицинских кругах не обращали внимания на его свойства вплоть до XXв. Недавние исследования, как фундаментальные, так и клинические, подтвердили, что водород является важным физиологическим регуляторным фактором, обладающим антиоксидантными, противовоспалительными и антиапоптотическими свойствами.

В основе настоящего исследования лежат терапевтические эффекты ингаляций АФВ;(H(H₂O)_m), так называемого ингаляционного водорода¹. Водород — это простейшая молекула в природе, которая ранее считалась инертным газом. Он играет важную роль в окислительно-восстановительных реакциях, посредством которых регулирует функционирование антиоксидантной системы.

В нормальных условиях молекула водорода неактивна. Сила связи между атомами в молекуле водорода равна 2,3 эВ. Чтобы разорвать эту связь, необходима дополнительная энергия. Для этой цели используется аппарат “SUISONIA” (Япония), с помощью которого водород, поступающий из хранилища металлгидридов через носовую канюлю в организм человека, находится в химически активном состоянии. Кроме того, АФВ;(H(H₂O)_m) имеет геометрические размеры в 2 раза меньшие, чем исходная молекула и, соответственно, обладает вдвое большей проникающей способностью. По этой причине использование для ингаляции АФВ;(H(H₂O)_m), полученного из металлгидридных источников, более эффективно.

Впервые о терапевтических эффектах ингаляции АФВ;(H(H₂O)_m) было сообщено в 1975г после эксперимента на мышиной модели плоскоклеточной карциномы кожи [1]. За последние два десятилетия было опубликовано >1000 работ об эффективности АФВ;(H(H₂O)_m). Водород, обладая антиоксидантными и антиапоптотическими свойствами, функционирует как “селективный” поглотитель гидроксильных радикалов (•OH) и пероксинитрита (ONOO-), что было подтверждено в работе в 2007г Ohsawa I, et al. [2].

АФВ;(H(H₂O)_m) ингибирует индуцированное окислительным стрессом воспалительное повреждение тканей путем снижения концентрации провоспалительных и воспалительных цитокинов, таких как интерлейкин (ИЛ)-1β, ИЛ-6, фактор некроза опухоли-α [3][4], других биологических соединений, например, молекулы межклеточной адгезии-1, негистонового ядерного белка HMGB1 (High-Mobility Group Protein B1) [5], ядерного фактора каппа B (Nuclear Factor kB, NF-kB) [6] и простагландина Е2 [7]. АФВ;(H(H₂O)_m) улучшает выживаемость и снижает органное повреждение путем снижения уровня цитокинов и других провоспалительных соединений в сыворотке и тканях [8].

АФВ;(H(H₂O)_m) эффективно проникает в биомембраны, достигая клеточных ядер и митохондрий; может легко проникать через гематоэнцефалический барьер путем газодиффузии, в то время как большинство антиоксидантных соединений такой способностью не обладают [9].

Анализ предшествующих научных исследований по проблеме оценки эффективности АФВ;(H(H₂O)_m) указывает на его терапевтический эффект при таких заболеваниях как сепсис, синдром полиорганной недостаточности, а также в периоде реконвалесценции [10].

АФВ;(H(H₂O)_m) может ингибировать коллаген-индуцированную агрегацию тромбоцитов [11].

Были проведены работы, доказывающие, что газообразная молекула водорода и обогащенный водородом физиологический раствор оказывают защитное действие при окислительном повреждении органов, включая легкие и мозг [12].

На основании литературных данных было сделано предположение об эффективности применения АФВ;(H(H₂O)_m) у пациентов, перенесших коронавирусную инфекцию SARS-CoV-2 (Severe Acute Respiratory Syndrome CoronaVirus 2), в отдаленном периоде болезни для снижения признаков гипоксемии, метаболических нарушений, интоксикации и синдрома хронической усталости (СХУ).

Целью настоящего совместного исследования с японскими коллегами было изучение безопасности и эффективности ингаляций “активной формы водорода” (АФВ;(H(H₂O)_m)) в реабилитационной программе пациентов перенесших инфекцию, вызванную вирусом SARS-CoV-2, в период выздоровления.

Работа по применению ингаляций АФВ;(H(H₂O)_m) в реабилитационной программе у лиц перенесших COVID-19 выполняется впервые.

Материал и методы

В рандомизированное контролируемое параллельное проспективное исследование были включены 60 пациентов (медицинский персонал ГБУЗ “ГКБ им. Д.Д. Плетнева ДЗМ”), перенесших COVID-19 (COronaVIrus Disease 2019) с мая по ноябрь 2020г, с постковидным синдромом (международная классификация болезней 10 пересмотра (МКБ-10): U09.9) [13] в период выздоровления, имеющие клинические проявления СХУ. Все получали стандартную терапию по протоколу ведения пациентов с СХУ (МКБ-10: G93.3): физиотерапию и вспомогательную медикаментозную терапию препаратами, содержащими магний, витамины группы В и L-карнитин. Пациенты были разделены на 2 группы: 1 группа (Основная) — 30 человек, которые получали стандартную терапию и ингаляции АФВ;(H(H₂O)_m) на протяжении 10 сут. и 2 группа (Контрольная) — 30 медицинских работников, которые получали только стандартную терапию. Распределение участников исследования на Основную или Контрольную группу осуществляли с помощью генератора случайных чисел. Подробная характеристика пациентов представлена в таблице 1.

Все пациенты, включенные в исследование, во время острой фазы COVID-19 получали лечение в связи с пневмонией, вызванной вирусом SARS-CoV-2, согласно временным методическим рекомендациям: “Профилактика, диагностика и лечение новой коронавирусной инфекции COVID-19” (Версии 5, 6, 7, утвержденные Минздравом России 08.03.2020, 28.04.2020, 03.06.2020, соответственно).

Исследование одобрено локальным этическим комитетом ГБУЗ “ГКБ им. Д.Д. Плетнева ДЗМ” г. Москвы № 10-20 от 20.04.2020.

Критерии включения. Пациенты: 1) сотрудники ГБУЗ “ГКБ им. Д.Д. Плетнева ДЗМ” г. Москвы; 2) в возрасте >18 лет; 3) при наличии отрицательного теста к рибонуклеиновой кислоте коронавируса SARS-CoV-2 методом полимеразной цепной реакции на момент исследования; 4) при наличии документально подтвержденной компьютерной томографии (КТ) легких с признаками заболевания при COVID-19 (диффузного уплотнения легочной ткани по типу матового стекла); 5) при наличии 2 больших и не <6 малых диагностических признаков СХУ (МКБ-10: G93.3) согласно критериям, разработанным Американским национальным центром хронической усталости (периодическая или усиливающаяся периодами усталость, отсутствие улучшения общего состояния после сна или длительного отдыха, плохая переносимость физической нагрузки, общая мышечная слабость, нарушения сна, психоэмоциональные нарушения, ухудшение памяти и внимания, тяжелые головные боли, которые ранее не наблюдались); 6) с отсутствием признаков респираторных нарушений (кашель, мокрота, одышка).

Критерии невключения. Пациенты: 1) нуждающиеся в респираторной поддержке; 2) с признаками острой и декомпенсированной формы сердечной недостаточности; 3) с признаками острой и с обострением хронической дыхательной недостаточности; 4) с острым нарушение мозгового кровообращения в течение последних 6 мес.; 5) с острым инфарктом миокарда в течение последних 6 мес.; 6) с сахарным диабетом в стадии декомпенсации; 7) беременность; 8) длительно применяющие (>14 дней) иммунодепрессанты (в т.ч. топические и системные глюкокортикостероиды или иммуномодулирующие (противовирусные) препараты в течение 6 мес.; 9) имеющие в анамнезе онкологические заболевания.

Все пациенты подписали добровольное информированное согласие на участие в исследовании, отвечающее требованиям, изложенным в “Хельсинкской декларации Всемирной медицинской ассоциации”, 1964г, последнего пересмотра 2013г, и в декларации ЮНЕСКО “Всеобщая декларация по биоэтике и правам человека”, 2005г.

При обследовании пациентов была выявлена проблема избыточной массы тела и склонность к ожирению. Характеристика степени поражения легких пациентов по данным КТ легких в острый период заболевания COVID-19 представлена на рисунке 1.

Дизайн исследования. Всем пациентам исходно, до момента рандомизации, проводили оценку частоты дыхательных движений, сердечных сокращений, уровня артериального давления (АД); КТ легких, эхокардиографии — сердечный выброс, среднее давление в легочной артерии, пульсоксиметрию (SpO₂), спирометрию. После рандомизации, в 1-е сут. терапии и на 10-е сут. исследования оценивали: показатели эндотелиальной функции, полученные методом плетизмографии (индекс ригидности, SI), индекс отражения (RI), проводили капилляроскопию, пульсоксиметрию (SpO₂), нагрузочный тест 6-минутной ходьбой; оценивали показатели газового состава артериальной, венозной и капиллярной крови (рН, парциальное напряжение кислорода в артериальной крови (РаО₂), парциальное напряжение углекислого газа в артериальной крови (РаСО₂), сатурацию артериальной крови (SaO₂); концентрацию ионов бикарбоната (НСО₃^–) и лактата артериальной крови, парциальное напряжение кислорода в венозной крови (РvО₂), парциальное напряжение углекислого газа в венозной крови (РvСО₂), сатурацию венозной крови (SvO₂); концентрацию НСО₃^– и лактата венозной крови, парциальное напряжение кислорода в капиллярной крови (РсО₂), парциальное напряжение углекислого газа в капиллярной крови (РсСО₂), сатурацию капиллярной крови (SсO₂); концентрацию НСО₃^– и лактата капиллярной крови); расчетные данные внутрилегочного шунта (Qs/Qt по Берггрену, 1942); показатели общего анализа крови (гемоглобин, лейкоциты, нейтрофилы, лимфоциты, тромбоциты), результаты биохимического исследования крови (аланинаминотрансфераза (АЛТ), аспартатаминотрансфераза, билирубин общий и прямой, ферритин, С-реактивный белок, прокальцитонин), коагулограмму крови. Дизайн исследования, представленный на рисунке 2, был утвержден на совместном, международном совещании участников рабочей группы от 19.11.2020, протокол № 3.

Ингаляционная терапия активной формой водорода. Ингаляционная терапия АФВ;(H(H₂O)_m) проводилась через носовую канюлю (Intersurgical Ltd, Великобритания), соединенную с аппаратом “SUISONIA” Япония). Все пациенты подвергались процедуре ежедневно, на протяжении 10 сут., в течение 90 мин согласно инструкции применения оборудования и опыта работы японских коллег (рисунок 3).

Статистический анализ. Рандомизация групп и статистический анализ полученных результатов были выполнены с использованием программного обеспечения GraphPad Prism 8 и STATISTICA 12.0. Проверку нормальности распределения проводили с помощью критерия Шапиро-Уилка. Рандомизацию групп по исходным количественным показателям осуществляли с помощью непарного t-теста и критерия Манна-Уитни, сравнение качественных данных проводили с использованием таблиц сопряженности по критерию χ² с поправкой Йетса. Для того, чтобы установить одновременное влияние группы и продолжительности воздействия, а также оценить взаимодействие между этими факторами, использовали двухфакторный дисперсионный анализ Two-way ANOVA. В случае, если данные были непригодны к анализу в исходном виде, использовали преобразованные в логарифмы значения, после чего проводилась проверка нормальности и преобразованные данные подвергали дисперсионному анализу. При выявлении различий для попарного сравнения групп использовали парный и непарный t-тест для анализа зависимых и независимых выборок, соответственно. При попарном сравнении групп с распределением, отличным от нормального, для зависимых выборок использовали критерий Вилкоксона, для независимых — критерий Манна-Уитни. Исключение статистических выбросов проводили с использованием критерия ROUT при Q не >1%. Качественные данные описывали абсолютными (n) и относительными частотами (%). Количественные переменные представлены в виде средних значений ± стандартное отклонение (Mean±SD) или медианы (Ме) c указанием интерквартильного интервала (Q25;Q75). Различия считали статистически значимыми при р<0,05.

Результаты

На фоне проведения ингаляционной терапии АФВ;(H(H₂O)_m) объективных, связанных с процедурой, побочных эффектов у пациентов выявлено не было. Из исследования на 3-и сут. в Контрольной группе выбыли 3 участника, а в Основной группе на 2-е и 3-и сут. выбыли 2 пациента по причине несоблюдения требований протокола и подписанного добровольного информированного согласия.

В итоге в Основной группе было 27 пациентов, в Контрольной группе — 28 пациентов. Все полученные результаты были разделены на блоки клинических исследований: эндотелиальная функция сосудов; биологические маркеры системного воспаления крови; нагрузочный тест 6-минутной ходьбы; транспорт кислорода и внутрилегочное шунтирование.

Эндотелиальная функция сосудов

Исходно в исследованной выборке величина SI в Контрольной группе, в среднем, составила 8,1±2,0 м/с, а в Основной группе — 8,8±1,8 м/с, р>0,05. На фоне ингаляционной терапии АФВ;(H(H₂O)_m) в Контрольной группе отмечалось незначительное повышение SI с 8,19±2,0 до 8,5±2,0 м/с, в Основной группе, напротив, отмечалось достоверное снижение SI с 8,8±1,8 до 6,8±1,5 м/с (на 23±3%) (р<0,0001), что также статистически значимо отличалось от результатов Контрольной группы в конечной точке наблюдения (р<0,01).

Средние значения начальной величины RI пульсовой волны, связанного с тонусом мелких артерий, в Контрольной и Основной группах исходно различались: 59,5±11,86 и 46,67±13,27%, соответственно (р<0,01). Спустя 10 сут. ежедневных ингаляций АФВ;(H(H₂O)_m) в Контрольной группе изменений по этому показателю не наблюдалось. В Основной группе в течение 10 сут. отмечался достоверный рост RI с 46,67±13,26 до 63,32±13,44% (р<0,0001). У всех пациентов исходно сосудистый рисунок был обеднен: снижена плотность капиллярной сети. После ингаляции возросла численность капилляров на 1 мм длины дистальной фаланги каждого пальца, изменился размер капилляров, их ширина, длина и диаметр. На рисунке 4 представлен фотоснимок капилляроскопии валика ногтевого ложа одного из испытуемых до и после ингаляции АФВ:(H(H₂O)_m).

Маркеры системного воспаления

Результаты динамики показателей системного воспаления представлены в таблице 2, из которой видно, что изменения касались только уровня лейкоцитов, который в Основной группе достоверно снизился на 10-е сут.

Биохимическое исследование крови

При сравнении результатов после ингаляционной терапии на 10-е сут. достоверных изменений активности АЛТ, аспартатаминотрансферазы, общего билирубина в Контрольной группе не наблюдалось. В Основной группе отмечено достоверное снижение AЛT с 24,0±12,7 до 20,22±10,61 Ед/л (р<0,001), увеличение уровня прямого билирубина с 2,99±1,41 до 3,39±1,34 мкмоль/л, (р<0,01). Результат динамики содержания ферритина в крови представлен на рисунке 5, который демонстрирует достоверное снижение его уровня на 10-е сут. в Основной группе.

Нагрузочный тест с 6-минутной ходьбой

Средняя величина пройденного расстояния во время 6-минутной ходьбы исходно в Основной группе была выше, чем в Контрольной группе и составляла 430±45 и 397±30 м соответственно (р<0,001). К концу наблюдения на 10-е сут., достоверное увеличение расстояния, пройденного в течение 6 мин, до 569±60 м отмечалось только в Основной группе (р<0,0001). Сравнение результатов двух групп, полученных на 10-е сут., показало, что данный параметр был, в среднем, на 30% выше в группе, подвергшейся ингаляционной терапии АФВ;(H(H₂O)_m), чем в Контрольной группе (р<0,0001).

У всех пациентов в состоянии покоя отмечались нормальные показатели пульсоксиметрии (SpO₂), однако на фоне нагрузки фиксировалась десатурация. При сравнении этого показателя на 1-е и 10-е сут. достоверной разницы между группами не было. Внутри группы, подвергшейся ингаляционной терапии АФВ;(H(H₂O)_m), отмечался достоверный рост минимальной SpO₂ с 92,25±2,9 до 94,25±1,56% (p<0,05), чего не отмечалось в Контрольной группе.

Транспорт кислорода

Результаты показателей кислотно-основного равновесия, транспорта кислорода и внутрилегочного шунтирования представлены в таблице 3. На 10-е сут. на фоне ингаляционной терапии АФВ;(H(H₂O)_m) было отмечено достоверное увеличение PaO₂ (р<0,0001) и уровня лактата в крови (р<0,0001). Уровень лактата артериальной крови в Основной группе был ниже в сравнении с Контрольной группой (р<0,0001). Кроме того, в Основной группе наблюдалось достоверное снижение фракции внутрилегочного шунта более чем на 60% (р<0,01). В Контрольной группе на 10-е сут. отмечено увеличение PaO₂ (р<0,01) и содержания лактата (р<0,05) только в венозной и капиллярной крови.

Обсуждение

Согласно данным Института глобальных медицинских наук Калифорнийского университета, в группе риска заболевания COVID-19 на первом месте стоят врачи, медицинские сестры и технический персонал, работающий в медицинских учреждениях [14].

Страны, столкнувшиеся с пандемией в конце 2019г и первые месяцы 2020г, пережили существенный подъем заболеваемости и смертности среди медицинского персонала вследствие COVID-19 [15].

В ГБУЗ “ГКБ им. Д.Д. Плетнева ДЗМ” г. Москвы заболеваемость COVID-19 среди сотрудников составляла от 30 до 100% в зависимости от профиля отделения и вида оказываемой помощи. Наиболее высокая заболеваемость наблюдалась в отделениях экстренной медицины: в первую очередь, в отделениях реанимации и интенсивной терапии, анестезиологии и реанимации, а также неврологии и кардиологии. Тяжелые последствия COVID-19 выявляются у этих пациентов как в подостром, так и в восстановительном периоде и требуют реабилитации в связи с существенным снижением качества жизни.

В результате научных исследований, проведенных с 2020 по 2021гг, были выявлены временные критерии подострого синдрома и периода выздоровления пациентов, перенесших COVID-19 [16].

В данной статье рассмотрены СХУ, как один из ведущих симптомокомплексов периода выздоровления пациентов, перенесших COVID-19, и влияние ингаляционной терапии АФВ;(H(H₂O)_m) на динамику течения болезни.

Существуют различные причины развития СХУ у пациентов, перенесших вирусную инфекцию SARS-CoV-2:

• прямое повреждение органов и тканей вирусом во время затяжного течения болезни, а также во время реанимационных мероприятий и при обострении хронических заболеваний в острый период [17];
• дисфункция структур головного мозга в области лимбической системы и гипоталамуса [18];
• дисрегуляция взаимодействия парасимпатической и симпатической нервных систем [19];
• прямое повреждающее действие вирусных частиц на эндотелий сосудов [20];
• персистенция вируса в организме человека [21];
• изменения уровня циркулирующего серотонина вследствие нарушения гемостаза [22];
• наличие тромбов, а также продуктов их лизиса в капиллярах и венулах, провоцирующих воспалительную реакцию [23].

Процесс репликации вируса SARS-CoV-2 сопровождается нарушением в системе окислительно-восстановительных реакций гомеостаза человека, увеличением концентрации оксикетостероидов в моче и нарушением печеночного клиренса кортизола. В конечном счете, все эти метаболические процессы влияют на азотистый обмен. Постепенное восстановление баланса азота происходит позже, в подострый период и в фазу восстановления, когда исчезают клинические признаки острого заболевания. Все эти изменения, возможно обуславливают метаболические нарушения, и дисфункцию соединительной ткани сосудов, “скрытую” гипоксемию, которые клинически проявляются в виде СХУ.

Из 100% сотрудников нашей клиники, заболевших COVID-19, на момент исследования 99% приступили к своим профессиональным обязанностям, но большинство из них нуждались в реабилитационных мероприятиях.

В последнее время среди реабилитационных мероприятий особое место занимает использование ингаляций газовой смеси с активной формой водорода АФВ;(H(H₂O)_m). Вдыхание 1-4% АФВ;(H(H₂O)_m) продемонстрировало эффективность и безопасность. Ни у одного пациента в исследовании в период выздоровления от COVID-19 на фоне ингаляции АФВ;(H(H₂O)_m) и по окончании процедуры осложнений не возникло.

Ингаляционная терапия АФВ;(H(H₂O)_m) сопровождалась достоверным снижением лейкоцитов и повышением лимфоцитов — маркеров воспаления, что является следствием антиоксидантного и противовоспалительного эффекта активной формы водорода.

Продемонстрированы уникальные преимущества применения АФВ;(H(H₂O)_m). У всех пациентов исследуемой когорты изначально отмечались признаки эндотелиальной дисфункции как проявление прямого повреждения эндотелия, нарушения коагуляции, частично вызванного свободными радикалами. Улучшение показателей эндотелиальной функции SI и RI также является следствием антиоксидантного и противовоспалительного эффекта терапии активной формой водорода.

Снижение признаков эндотелиальной дисфункции позволило восстановить гемореологический баланс крови, нарушение которого неизбежно приводит к поражению органов и развитию полиморфной патологии [24].

У всех пациентов обеих групп наблюдались признаки скрытой гипоксемии, нарушение транспорта кислорода, метаболизма лактата, высокий показатель внутрилегочного шунта крови. Статистически достоверное повышение РаО₂, SaО₂, снижение фракции шунта крови на фоне ингаляции АФВ;(H(H₂O)_m) связано с улучшением микроциркуляции, что было наглядно продемонстрировано на снимках, сделанных во время капилляроскопии до и после ингаляции АФВ;(H(H₂O)_m) (рисунок 4). Восстановление кровообращения и транспорта кислорода обуславливает восстановление уровня лактата, снижение анаэробной нагрузки на организм и повышение толерантности к физической нагрузке.

Заключение

Ингаляционная терапия АФВ;(H(H₂O)_m) в реабилитационной программе пациентов, перенесших COVID-19, в период выздоровления, оказалась безопасным и высокоэффективным лечебным методом. Отмечена положительная динамика в виде уменьшения проявлений скрытой гипоксемии, повышения толерантности к физической нагрузке, снижения эндотелиальной дисфункции. Из лабораторных тестов отмечается уменьшение числа лейкоцитов, нормализация метаболизма лактата и снижение фракции внутрилегочного шунтирования крови справа-налево.

Отношения и деятельность: все авторы заявляют об отсутствии потенциального конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.