Введение

Токсические эффекты угарного газа

Вредные эффекты угарного газа обычно считаются вызванными его плотным связыванием с протезной гемовой группой гемопротеинов, что приводит к нарушению клеточных функций, например: угарный газ связывается с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин, что влияет на газообмен и клеточное дыхание. Вдыхание чрезмерных концентраций газа может привести к гипоксическому повреждению, поражению нервной системы и даже смерти. Как показала Эстер Киллик, устойчивость к угарному газу у каждого человека определяется множеством факторов, включая генетику (мутации гемоглобина), поведение, такое как уровень активности, частота дыхания, наличие предшествующих заболеваний головного мозга или сердечно-сосудистой системы, сердечный выброс, анемия, серповидноклеточная анемия и другие гематологические расстройства, географическое положение и барометрическое давление, а также скорость метаболизма. Император Луций Вер использовал дым для казни заключенных. В XV веке шахтеры верили, что внезапная смерть вызывается злыми духами; отравление угарным газом связывалось со сверхъестественными и паранормальными явлениями, колдовством и т.д. на протяжении последующих столетий.

Георг Эрнст Шталь упоминал *carbonarii halitus* в 1697 году, имея в виду токсичные пары, которые предположительно были угарным газом. Фридрих Гофманн в 1716 году провел первое современное научное исследование отравления угарным газом от угля, в частности, отвергнув объяснения местных жителей, приписывавших смерть демоническим суевериям. Герман Буерхаве в 1730-х годах провел первые научные эксперименты по изучению воздействия угарного газа (угольных паров) на животных. По подозрению, более 50 человек погибли от отравления дымом в результате резни в Давидовской ветви во время осады Вако в 1993 году.

Вооружение

В древней истории Ганнибал казнил римских пленников, используя угарный газ, во время Второй Пунической войны. В ходе Холокоста во время Второй мировой войны нацисты использовали газовые фургоны в лагере смерти Хелмно и в других местах для убийства, предположительно, 700 000 или более человек отравлением угарным газом. Этот метод также применялся в газовых камерах нескольких лагерей смерти, таких как Треблинка, Собибор и Бельзец. Газирование угарным газом началось в рамках операции «Т4». Газ поставлялся компанией IG Farben в баллонах под давлением и подавался по трубам в газовые камеры, построенные в различных психиатрических лечебницах, например, в Центре эвтаназии Хартхайм. Выхлопные газы от танковых двигателей, в частности, использовались для подачи газа в камеры.

Физиология

Окись углерода вырабатывается естественным путем во многих физиологически значимых ферментативных и неферментативных реакциях. Помимо физиологической сигнализации, большая часть окиси углерода хранится в виде карбоксигемоглобина в нетоксичных концентрациях ниже 3% HbCO. Исторически терапевтический потенциал искусственных газов, в частности, окиси углерода в виде углеводородов, исследовался Томасом Беддоусом, Джеймсом Уоттом, Тиберием Кавалло, Джеймсом Линдом, Хамфри Дэви и другими во многих лабораториях, таких как Пневматический институт. В Соединенных Штатах OSHA ограничивает долгосрочные уровни воздействия на рабочем месте менее чем 50 ppm в среднем за 8 часов; кроме того, работники должны быть удалены из любого замкнутого пространства, если достигнут верхний предел ("потолок") 100 ppm. +Влияние окиси углерода в зависимости от концентрации в частях на миллион в воздухе:КонцентрацияСимптомы35 ppm (0,0035%), (0,035‰) Головная боль и головокружение в течение шести-восьми часов при постоянном воздействии100 ppm (0,01%), (0,1‰) Легкая головная боль в течение двух-трех часов200 ppm (0,02%), (0,2‰) Легкая головная боль в течение двух-трех часов; нарушение суждений400 ppm (0,04%), (0,4‰) Головная боль в области лба в течение одного-двух часов800 ppm (0,08%), (0,8‰) Головокружение, тошнота и судороги в течение 45 минут; потеря сознания в течение 2 часов1600 ppm (0,16%), (1,6‰) Головная боль, учащенное сердцебиение, головокружение и тошнота в течение 20 минут; смерть менее чем через 2 часа3200 ppm (0,32%), (3,2‰) Головная боль, головокружение и тошнота в течение пяти-десяти минут. Смерть в течение 30 минут.6400 ppm (0,64%), (6,4‰) Головная боль и головокружение в течение одной-двух минут. Судороги, остановка дыхания и смерть менее чем за 20 минут.12800 ppm (1,28%), (12,8‰) Бессознательность после 2–3 вдохов. Смерть менее чем за три минуты.

Острое отравление

Основные проявления отравления угарным газом развиваются в органах и системах, наиболее зависимых от потребления кислорода – центральной нервной системе и сердце. Эти симптомы часто ошибочно принимают за вирусные инфекции, такие как грипп, или другие заболевания, например, пищевое отравление или гастроэнтерит. Головная боль – наиболее частый симптом острого отравления угарным газом; ее обычно описывают как тупую, локализующуюся в передней части головы и постоянную. Усиление воздействия приводит к сердечным нарушениям, включая учащенное сердцебиение, низкое артериальное давление и сердечную аритмию; симптомы со стороны центральной нервной системы включают делирий, галлюцинации, головокружение, шаткую походку, спутанность сознания, судороги, угнетение центральной нервной системы, потерю сознания, остановку дыхания и смерть. Воздействие угарного газа может привести к значительному сокращению продолжительности жизни из-за повреждения сердца. Одной из основных проблем после острого отравления угарным газом является развитие серьезных отсроченных неврологических нарушений. Эти нарушения могут проявляться в виде трудностей с высшими когнитивными функциями, кратковременной потери памяти, деменции, амнезии, психоза, раздражительности, необычной походки, речевых расстройств, синдромов, напоминающих болезнь Паркинсона, корковой слепоты и подавленного настроения. Депрессия может развиться даже у людей, не страдавших ею ранее. Эти отсроченные неврологические последствия могут возникнуть у до 50% пострадавших в течение 2–40 дней после отравления.

Хроническое отравление

Хроническое воздействие относительно низких уровней угарного газа может вызывать стойкие головные боли, головокружение, депрессию, спутанность сознания, потерю памяти, тошноту, расстройства слуха и рвоту. Неизвестно, может ли длительное воздействие низких уровней угарного газа приводить к необратимым неврологическим повреждениям. Хроническое воздействие может усугублять сердечно-сосудистые симптомы у некоторых людей. Длительное воздействие угарного газа представляет наибольшую опасность для людей с ишемической болезнью сердца и беременных женщин. В экспериментах на животных угарный газ, по-видимому, усиливает потерю слуха, вызванную шумом, в условиях, которые в противном случае оказывали бы ограниченное воздействие на слух. У людей сообщалось о потере слуха после отравления угарным газом. Таким образом, эффект окрашивания угарным газом в посмертных условиях аналогичен его использованию в качестве красного красителя в коммерческой мясоперерабатывающей промышленности.

Эпидемиология

Точное число случаев отравления угарным газом неизвестно, поскольку многие нелетальные случаи остаются незамеченными. Отравление обычно чаще встречается в зимние месяцы. Это связано с увеличением использования в быту газовых котлов, газовых или керосиновых обогревателей и кухонных плит в зимнее время, которые при неисправности и/или использовании без достаточной вентиляции могут выделять избыточное количество угарного газа. Выявление и случаи отравления угарным газом также возрастают во время отключений электроэнергии, когда электрические отопительные и кухонные приборы перестают работать, и люди могут временно прибегать к использованию топливных обогревателей, плит и грилей (некоторые из которых предназначены только для наружного использования, но тем не менее ошибочно используются в помещениях). По оценкам, более 40 000 человек в год в Соединенных Штатах обращаются за медицинской помощью по поводу отравления угарным газом. 95% смертей от отравления угарным газом в США вызваны газовыми обогревателями. Во многих индустриально развитых странах угарный газ является причиной более 50% смертельных отравлений. Отравление угарным газом вносит вклад в приблизительные 5613 смертей от вдыхания дыма ежегодно в Соединенных Штатах. CDC сообщает: "Каждый год более 500 американцев умирают от случайного отравления угарным газом, и более 2000 совершают самоубийство, намеренно отравляясь". За 10-летний период с 1979 по 1988 год в Соединенных Штатах произошло 56 133 смерти от отравления угарным газом, из которых 25 889 были самоубийствами, а 30 244 – случайными смертями. В Южной Корее с 2001 по 2003 год 1950 человек отравились угарным газом, 254 из них умерли. Отчет из Иерусалима показал, что с 2001 по 2006 год ежегодно отравлялись 3,53 человека на 100 000 населения. В провинции Хубэй, Китай, за 10 лет было зарегистрировано 218 смертей от отравления, 16,5% из которых были вызваны воздействием угарного газа.

Причины

КонцентрацияИсточник0,1 ppmУровень в естественной атмосфере (MOPITT)0,5 - 5 ppmСредний уровень в домах5 - 15 ppmВблизи правильно настроенных газовых плит в домах5 000 ppmВыхлопные газы от домашнего очага на дровах7 000 ppmНеразбавленный выхлоп от горячего автомобиля без каталитического нейтрализатора.

Угарный газ является продуктом неполного сгорания органического вещества при недостатке кислорода, что препятствует полному окислению до углекислого газа (CO2). Источники угарного газа включают сигаретный дым, пожары в домах, неисправные печи и обогреватели, дровяные печи, выхлопные газы автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, электрические генераторы, оборудование, работающее на пропане, такое как портативные плиты, и инструменты с бензиновыми двигателями, такие как воздуходувки, газонокосилки, аппараты высокого давления, пилы для резки бетона, электровибраторы и сварочные аппараты. Воздействие обычно происходит при использовании оборудования в зданиях или полузакрытых пространствах. Автомобили, работающие на холостом ходу с заблокированной выхлопной трубой снегом, могут привести к отравлению находящихся в машине людей. Любая утечка между выхлопным коллектором и кожухом может привести к попаданию выхлопных газов в салон автомобиля. Генераторы и двигатели на лодках, особенно на катерах, могут стать причиной смертельного отравления угарным газом. Отравление также может произойти после использования автономного подводного дыхательного аппарата (SCUBA) из-за неисправности компрессоров для наполнения баллонов. В пещерах угарный газ может накапливаться в закрытых камерах из-за разложения органических веществ. В угольных шахтах неполное сгорание может происходить во время взрывов, приводя к образованию послевзрывного газа (гризу). Этот газ может содержать до 3% CO и быть смертельным даже после одного вдоха. Другим источником отравления является органический растворитель дихлорметан, также известный как метиленхлорид, содержащийся в некоторых средствах для удаления краски, поскольку метаболизм дихлорметана производит угарный газ. В ноябре 2019 года в США вступил в силу запрет Агентства по охране окружающей среды (EPA) на использование дихлорметана в средствах для удаления краски, предназначенных для потребителей.

Детекторы

Профилактика остается важнейшей задачей в области общественного здравоохранения, требующей информирования населения о безопасной эксплуатации бытовых приборов, обогревателей, каминов и двигателей внутреннего сгорания, а также усиления внимания к установке датчиков угарного газа. Комиссия по безопасности потребительских товаров США заявила: «Датчики угарного газа так же важны для безопасности дома, как и датчики дыма», и рекомендует устанавливать как минимум один датчик угарного газа в каждом доме, а желательно – по одному на каждом этаже здания. Эти датчики широко доступны и могут работать от батареек или от сети переменного тока, с резервным питанием от батарей или без него. В зданиях датчики угарного газа обычно устанавливаются вблизи обогревателей и другого оборудования. При обнаружении относительно высокого уровня угарного газа устройство подает сигнал тревоги, давая людям возможность эвакуироваться и проветрить помещение. В отличие от датчиков дыма, датчики угарного газа не обязательно размещать у потолка. Использование датчиков угарного газа стало стандартом во многих регионах. В США стандарт NFPA 720–2009, разработанный Национальной ассоциацией противопожарной защиты и содержащий рекомендации по установке датчиков угарного газа, предписывает размещать датчики/сигнализаторы угарного газа на каждом уровне жилого помещения, включая подвал, а также вблизи спальных зон. В новостройках датчики, работающие от сети переменного тока, должны быть оснащены резервным питанием от батарей и объединены в сеть для обеспечения своевременного оповещения жильцов на всех этажах.

Юридические требования

Стандарт NFPA не обязательно подкреплен законом. По состоянию на апрель 2006 года штат Массачусетс в США требует установки датчиков угарного газа во всех жилых помещениях, где есть потенциальные источники CO, независимо от возраста здания и того, проживает в нем владелец или арендатор. Это контролируется муниципальными инспекторами и было вызвано смертью 7-летней Николь Гарофало в 2005 году из-за того, что снег заблокировал вентиляцию отопления в ее доме. В других юрисдикциях могут отсутствовать требования или же датчики могут быть обязательны только для нового строительства или при продаже. Несмотря на подобные случаи гибели людей в автомобилях с забитыми выхлопными трубами (например, во время метели 1978 года и февральского шторма 2013 года на северо-востоке США) и коммерческую доступность оборудования, установка датчиков угарного газа в автомобилях не является обязательной по закону.

Диагноз

Поскольку многие симптомы отравления угарным газом также встречаются при других видах отравлений и инфекций (например, при гриппе), диагностика часто затруднена. Анамнез возможного воздействия угарного газа, например, при нахождении в зоне пожара, может указывать на отравление, но диагноз подтверждается измерением уровня угарного газа в крови. Это определяется путем измерения количества карбоксигемоглобина по сравнению с общим количеством гемоглобина в крови. У людей с выраженными симптомами отравления этот показатель обычно составляет 10–30%, в то время как у умерших в посмертной крови он может достигать 30–90%. Поскольку значительные симптомы отравления угарным газом могут сохраняться у человека даже после нормализации концентрации карбоксигемоглобина в крови, обращение за обследованием с нормальным уровнем карбоксигемоглобина (что может произойти на поздних стадиях отравления) не исключает отравление.

Измерение

Окись углерода может быть количественно определена в крови с помощью спектрофотометрических методов или хроматографических техник для подтверждения диагноза отравления у человека или для содействия судебно-медицинскому расследованию случая смертельного воздействия. Для определения уровня карбоксигемоглобина можно использовать CO-оксиметр. Пульсовые CO-оксиметры оценивают уровень карбоксигемоглобина с помощью неинвазивного датчика на пальце, аналогичного пульсовому оксиметру. Эти устройства функционируют, пропуская различные длины волн света через кончик пальца и измеряя поглощение света различными типами гемоглобина в капиллярах. Использование обычного пульсоксиметра неэффективно при диагностике отравления окисью углерода, поскольку эти устройства могут быть не в состоянии отличить карбоксигемоглобин от оксигемоглобина. Мониторинг CO в выдыхаемом воздухе предлагает альтернативу пульсовой CO-оксиметрии. Показано, что уровень карбоксигемоглобина имеет тесную корреляцию с концентрацией CO в выдыхаемом воздухе. Однако для работы многих из этих устройств требуется, чтобы пользователь делал глубокий вдох и задерживал дыхание, чтобы CO из крови успел перейти в легкие перед проведением измерения. Поскольку это невозможно для пациентов без сознания, эти устройства могут быть неподходящими для использования при экстренном выявлении отравления CO на месте происшествия.

Гипербарический кислород

Гипербарический кислород также используется в лечении отравления угарным газом, поскольку он может ускорить диссоциацию CO от карбоксигемоглобина в большей степени, чем обычный кислород. Гипербарический кислород при трехкратном атмосферном давлении сокращает период полувыведения угарного газа до 23 минут по сравнению с 80 минутами при использовании кислорода при нормальном атмосферном давлении. Были проведены рандомизированные контролируемые исследования, в которых сравнивались эти два метода лечения; из шести проведенных, четыре показали, что гипербарический кислород улучшает исход, а два не выявили преимуществ от его применения. Некоторые из этих исследований подверглись критике из-за явных недостатков в их проведении. Обзор всей литературы показал, что роль гипербарического кислорода остается неясной, и имеющиеся данные не подтверждают и не опровергают клинически значимую пользу. Авторы предложили провести крупное, хорошо спланированное, с внешней проверкой многоцентровое исследование для сравнения обычного кислорода и гипербарического кислорода. Сердечные аритмии лечатся стандартными протоколами расширенной сердечно-легочной реанимации. Лечение ацидоза может состоять только из оксигенотерапии. Часто требуется длительное наблюдение и поддерживающая терапия при отсроченном неврологическом повреждении, особенно у пациентов с симптомами остановки сердца, комы, метаболического ацидоза или высоким уровнем карбоксигемоглобина. Также может использоваться устройство, которое подает некоторое количество углекислого газа для стимуляции более частого дыхания (продается под торговой маркой ClearMate).

Патофизиология

Точные механизмы, посредством которых монооксид углерода оказывает воздействие на системы организма, сложны и до конца не изучены.

Гемоглобин

Угарный газ имеет более высокий коэффициент диффузии по сравнению с кислородом, а главный фермент в организме человека, производящий угарный газ, – гемоксигеназа, которая находится почти во всех клетках и тромбоцитах. Однако определенные мутации, такие как мутация Hb Kirklareli, обладают относительным сродством к угарному газу в 80 000 раз большим, чем к кислороду, что приводит к устойчивому уровню системного карбоксигемоглобина в 16% COHb. При токсических концентрациях угарный газ в форме карбоксигемоглобина значительно нарушает дыхание и газообмен, одновременно ингибируя захват и доставку кислорода к клеткам и препятствуя образованию карбаминогемоглобина, на который приходится около 30% экспорта углекислого газа. Следовательно, пациент с отравлением угарным газом может испытывать тяжелую гипоксию. Это связывание нарушает аэробный метаболизм и эффективный синтез аденозинтрифосфата. Клетки реагируют переходом на анаэробный метаболизм, вызывая аноксию, молочнокислый ацидоз и, в конечном итоге, гибель клеток. Скорость диссоциации угарного газа от цитохром-оксидазы низкая, что вызывает относительно длительное нарушение окислительного метаболизма. Результатом этих эффектов является перекисное окисление липидов, вызывающее отсроченную обратимую демиелинизацию белого вещества в центральной нервной системе, известную как миелинопатия Гринкера, которая может привести к отеку и некрозу головного мозга. Характерными патологическими изменениями после отравления являются двусторонний некроз белого вещества, бледного шара, мозжечка, гиппокампа и коры головного мозга.

Беременность

Отравление угарным газом у беременных женщин может вызывать серьезные неблагоприятные последствия для плода. Отравление приводит к гипоксии тканей плода, снижая поступление кислорода от матери к плоду. Угарный газ также проникает через плаценту и связывается с гемоглобином плода, вызывая более прямую гипоксию тканей плода. Более того, гемоглобин плода имеет на 10–15% более высокую аффинность к угарному газу, чем гемоглобин взрослого человека, что приводит к более тяжелому отравлению плода, чем у взрослого. Уровень заболеваемости и смертности плода при остром отравлении угарным газом значителен, поэтому даже при легком отравлении матери или после ее выздоровления возможно развитие тяжелого отравления или гибели плода.