УДК 541.13; 546.212; 615; 621.357

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ В ПРАКТИЧЕСКОЙ МЕДИЦИНЕ

Б.И. Леонов, В.М. Бахир, В.И. Вторенко

ОАО "НПО ЭКРАН", ГКБ № 52, г. Москва

Обзор современного состояния и перспектив развития техники и технологий электрохимической активации.

Электрохимическая активация, вода, медицинская техника, технологии ЭХА для медицины.

Технология электрохимической активации (ЭХА) - это новая область прикладной электрохимии, имеющая, тем не менее, свои традиции и историю. В центре проблем, связанных с теорией и практическим применениям ЭХА, - вопросы, так или иначе связанные с водой и водными растворами.

Вода у античных философов - одна из четырех первоначальных стихий. В словаре Даля несколько страниц посвящено описанию того, что есть вода и какой она бывает. Например: "Вода это стихийная жидкость, ниспадающая в виде дождя и снега, образующая на земле родники, ручьи, реки и озера, а в смеси с солями, - моря. Едва ли не все жидкости в природе содержат в себе воду; твердые тела ею большей частью проникнуты, а с иными она сама обращается в твердое тело (с известью, гипсом); сама же она состоит из двух газов: водорода и кислорода; первый, сгорая при помощи последнего и соединяясь с ним, образует воду. Мертвая вода (сказочн.), от которой срастаются части изрубленного человека, оживающего затем от живой воды. Вода каменная, замороженная, химически соединенная с составными частями ископаемого, например, вода отвердевшая в извести, в гипсе; она изгоняется огнем, и тогда ископаемое рыхлеет и рассыпается. Вода минеральная, целебная (кислая, щелочная, соленая, горькая, железистая, серная и пр.), содержащая в растворе ископаемые вещества".

В.И. Вернадский считал, что в природе нет компонента, сравнимого с водой по влиянию на ход геологических (и добавим, - биологических) процессов. Повторим общеизвестное:

• ежедневно человечество расходует приблизительно 7 млрд. тонн воды, что соизмеримо с годовой добычей полезных ископаемых;
• вода - наиболее доступный растворитель, водные растворы сопровождали человека на всех этапах эволюции и цивилизации;
• животная ткань на 70% состоит из воды; вода является естественной средой обитания огромного числа организмов; для наземных видов - вода незаменимый продукт потребления;
• как химическая субстанция, вода уникальна по строению и свойствам, природных аналогов не имеет.

    Иными словами, тот, кто управляет свойствами воды, способен воздействовать на любые процессы, происходящие в мире.

Человечество столетиями разрабатывало технологии изменения состава водных сред (технологических, лекарственных и т.д.); воду очищали, обеззараживали, подвергали термической обработке, замораживали. Но при этом собственные свойства воды ("субстанции Н₂О") оставались как бы вне сферы направленных воздействий. Проблема получения собственно воды с заранее заданными свойствами возникла сравнительно недавно, поскольку повседневный опыт свидетельствовал, что обычная пресная питьевая вода, не имеющая каких-либо особенностей по химическому составу, обладала различными показателями биологической и каталитической активности в зависимости от источника ее получения. Возникли концепции, использующие фольклорные образы "живой" и "мертвой" воды. Известны удачные попытки получения воды с новыми технологическими свойствами путем ее омагничивания, быстрого замораживания и оттаивания, механического измельчения и т.д. Однако, устойчивые и воспроизводимые технологии получения воды и водных сред с заранее заданными окислительно-восстановительными свойствами созданы на основе феномена электрохимической активации (ЭХА). В 1985 г. ЭХА официально признана в СССР новым самостоятельным научно-техническим направлением. С начала 90-х годов лидером в области исследований ЭХА и разработке различных технологических процессов с использованием электрохимически активированных сред является НПО "ЭКРАН" и ВНИИИМТ МЗ РФ. Этой же проблемой в сотрудничестве с указанными организациями занимается ряд крупнейших научных учреждений России. К настоящему моменту исследования феномена и технологий ЭХА имеют обширную географию, включая США, Японию и ряд других стран.

Сущность явления электрохимической активации состоит в том, что разбавленные растворы минеральных солей (к ним относится и обычная питьевая вода) в результате анодной или катодной (униполярной) обработки в диафрагменном электрохимическом реакторе переходят в метастабильное состояние, характеризующееся аномальной физико-химической активностью, которая постепенно убывает во времени (релаксируют). Именно в период релаксации ЭХА-среды проявляют свои главные технологический качества.

    ЭХА позволяет без применения химических реагентов направленно изменять в очень широких пределах кислотно-основные, окислительно-восстановительные и каталитические свойства разбавленных водных растворов и собственно воды и использовать такие метастабильные жидкости вместо традиционных растворов химических реагентов в различных технологических процессах с целью экономии затрат труда, времени и материалов.

Технические средства для реализации ЭХА (диафрагменные электролизеры) известны сравнительно давно. Но коммерческое использование техники ЭХА стало возможным лишь в последнее десятилетие благодаря появлению промышленных электрохимических систем нового типа на основе проточных электрохимических модульных элементов третьего поколения (ПЭМ-3) и реакторов РПЭ в виде блоков элементов ПЭМ-3 различной конфигурации.

Широкую известность в России и за рубежом получили установки СТЭЛ, которые обеспечивают экологически чистыми стерилизующими и дезинфицирующими растворами (анолитами типа АНК, АНД) медицинские и детские учреждения, предприятия коммунального хозяйства, пищевой промышленности, плавательные бассейны.

В отличие от традиционных дезинфицирующих и стерилизующих растворов, таких, как глутаровый альдегид, формальдегид, хлорамин, гипохлорит натрия, дихлоризоцианураты, надуксусная кислота, четвертичные аммониевые соединения (ЧАС), соединения тяжелых металлов и других синтетических биоцидных веществ, действующие компоненты анолитов АНК и АНД не являются веществами-ксенобиотиками и не оказывают вредного воздействия на организм человека и теплокровных животных. Эти вещества представляют собой неорганические короткоживущие пероксидные соединения, которые обычно синтезируются в организме человека и теплокровных животных специализированными электрохимически активными ферментами клеток и участвуют в процессах нейтрализации вредных и чужеродных веществ в организме (фагоцитоз).

Метастабильная смесь пероксидов, образующаяся в ходе биоэлектрохимических реакций в организме человека и теплокровных животных, является наиболее эффективным из всех известных средств уничтожения микроорганизмов, поскольку обладает множеством спонтанно реализующихся возможностей изменения (необратимого нарушения) жизненно важных функций биополимеров микроорганизмов на уровне реакций передачи электронов. Доказательством этого является тот факт, что за десятки тысяч лет эволюции высших форм жизни микроорганизмы не смогли выработать резистентность к такого рода метастабильным химическим системам.

По механизму биоцидного действия электрохимически активированный раствор (анолиты АНК и АНД) подобен газовой плазме, а продуктами его деградации являются исходные вещества, т.е. слабоминерализованная вода.

Активированные анолиты АНК и АНД, получаемые в установках СТЭЛ, уничтожают возбудителей как бактериальной и вирусной, так и грибковой этиологии (золотистый стафилококк, синегнойная и кишечная палочки, вирусы гепатита-В, полиомиелита, ВИЧ, аденовирусы, возбудители туберкулеза, сальмонеллеза, дерматомикоза и др.).

Также хорошо известны установки типа ИЗУМРУД различных модификаций, снабжающие индивидуальных пользователей, детские учреждения и предприятия пищевой промышленности и общественного питания обеззараженной и структурно улучшенной питьевой водой, не уступающей по полезности родниковой и лучшим минеральным водам. При сохранении в воде необходимых человеку ионов кальция, магния, калия, фтора и насыщении ее кислородом она освобождается от микроорганизмов всех видов и форм, токсичных органических соединений, ионов тяжелых металлов, в том числе и от избытков ионов железа.

Одним из наиболее значимых факторов регулирования параметров окислительно-восстановительных реакций, протекающих в любой жидкой среде, является активность электронов или, иначе, окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) этой среды.

ОВП внутренней среды организма человека, измеренный на платиновом электроде относительно хлорсеребряного электрода сравнения, в норме всегда меньше нуля, т.е. имеет отрицательные значения, которые обычно находятся в пределах от -100 до -200 милливольт (мВ). ОВП питьевой воды, измеренный таким же способом практически всегда больше нуля и обычно находится в пределах от +100 до +400 мВ. Это справедливо практически для всех типов питьевой воды, - той, которая течет из водопроводных кранов во всех городах мира, которая продается в стеклянных и пластиковых бутылках, которая получается после очистки в установках обратного осмоса и большинства разнообразных больших и малых водоочистительных систем.

Указанные различия ОВП внутренней среды организма человека и питьевой воды означают, что активность электронов во внутренней среде организма человека намного выше, чем активность электронов в питьевой воде.

Когда обычная питьевая вода проникает в ткани человеческого (или иного) организма, она отнимает электроны от клеток и тканей, которые состоят из воды на 80 - 90%. В результате этого биологические структуры организма (клеточные мембраны, органоиды клеток, нуклеиновые кислоты и другие) подвергаются окислительному разрушению. Так организм изнашивается, стареет, жизненно-важные органы теряют свою функцию.

Для того, чтобы организм оптимальным образом использовал в обменных процессах питьевую воду она должна быть кондиционирована по показателям ОВП, что достигается на основе технологий ЭХА.

Если поступающая в организм питьевая вода имеет ОВП близкий к значению ОВП внутренней среды организма человека, то электрическая энергия клеточных мембран (жизненная энергия организма) не расходуется на коррекцию активности электронов воды и вода тотчас же усваивается, поскольку обладает биологической совместимостью по этому параметру. Если питьевая вода имеет ОВП более отрицательный, чем ОВП внутренней среды организма, то она подпитывает его этой энергией, которая используется клетками как энергетический резерв антиоксидантной защиты организма от неблагоприятного влияния внешней среды. Вода, катодно активированная в установках СТЭЛ, очищенная в установке ИЗУМРУД в соответствии с технологическим процессом АМЕТИСТ всегда имеет отрицательный окислительно-восстановительный потенциал. Соответственно, эти разновидности ЭХА-воды являются противоокислительными (антиоксидантными) средами и имеют хорошую терапевтическую перспективу. Анодно активированные растворы (анолит) обладают высокой биоцидной активностью, комбинируемой с моющими свойствами. Они могут быть получены в больших объемах на месте применения, отличаются практической безопасностью и очень низкой себестоимостью. В лечебных учреждениях Москвы и других городов ежегодное производство активированного анолита измеряется десятками тысяч литров, которые применяются в лечебно-профилактических учреждениях (ЛПУ) как моющие, дезинфицирующие и стерилизующие растворы. Актуальность использования электрохимически активированных растворов обусловлена несколькими составляющими:

• выраженные дезинфицирующий и стерилизующий эффекты;
• низкая стоимость получаемых растворов;
• технологическая простота их получения;
• возможность приготовления ЭХА растворов в условиях ЛПУ;
• быстрый срок самоокупаемости установок, производящих ЭХА растворы;
• получение требуемого объема растворов.

Статистика и длительность применения ЭХА растворов с целью дезинфекции и стерилизации таковы, что позволяют отнести подобные методики к разряду ставших привычными и обыденными, т.е. рутинными. И это, на наш взгляд, самое важное признание эффективности ЭХА растворов.

Следует отметить, что в настоящее время активированные растворы для использования в медицине производятся только в установках типа СТЭЛ, электрохимические реакторы которых представляют собой один или несколько элементов ПЭМ-3, объединенных с помощью коллекторов в реактор РПЭ. Гарантированное качество растворов может быть обеспечено только при использовании стандартных сертифицированных установок СТЭЛ производства НРО ЭКРАН или компаний, работающих по лицензии, выданной НПО ЭКРАН. Необходимость указать это связана с участившимися случаями подделки, когда электрохимические установки, ничего общего не имеющие с настоящими установками СТЭЛ, именуются так же, снабжаются документацией, утвержденной для установок СТЭЛ и поставляются в ЛПУ. Типы растворов, производимых установками СТЭЛ, указаны в нижеследующей таблице.

Разумеется, заманчивым представляется использование выявленных свойств ЭХА растворов в лечебных целях. Всем нам хорошо памятен бум "живой" и "мертвой" воды образца середины 80-х. Однако, спонтанное применение ЭХА растворов в лечебных целях без предварительного всеобъемлющего экспериментального исследования и последующего рассмотрения Фармакологическим комитетом РФ может привести к дискредитации растворов и методик.

Нами проведено экспериментальное исследование по изучению влияния анолита на структуру лимфатических узлов и желудочно-кишечного тракта при пероральном, внутривенном и внутрибрюшинном способах введения.

Анолит типа АНК получали с помощью установки СТЭЛ-10Н-120-01. Концентрация оксидантов составляла 200 мг/л. В работе использовали свежеприготовленный раствор. Работа выполнена на крысах линии Wistar, массой тела 150-200 г , всего 30 животных.

Ежедневное наблюдение за общим состоянием животных показало, что все они выжили, сохраняли естественную подвижность и хороший аппетит, не обнаруживалось изменений в состоянии волосяного покрова.

На вскрытии при макроскопическом обследовании каких-либо патологических изменений в структуре внутренних органов не обнаружено. Для гистологических исследований ткани лимфатических узлов (ЛУ) (паховых, тазовых, брыжеечных, подчелюстных), кусочки желудка, двенадцатиперстной, тонкой и толстой кишки замораживали твердой углекислотой. Срезы нефиксированной ткани получали в криостате толщиной 7 мкм, постфиксировали в забуференном формалине и окрашивали иматоксилин – эозином и родамином 6 Ж (Шмурун Н.К., 1964). Результаты проведенного исследования показали, что при пероральном применении анолита каких-либо патоморфологических изменений в структуре исследованных ЛУ не обнаружено.

Электрохимически активированные растворы, получаемые в установках типа СТЭЛ

В ткани узлов отсутствуют признаки субкапсулярного, стромального и периваскулярного отека. Структура морфофункциональных зон узлов такая же, как у контрольных животных: ширина коры, паракортикальной зоны, мозговых тяжей и количество фолликулов не изменено. Герминативные центры фолликулов заполнены большими и малыми лимфоцитами, в несколько меньшей степени – плазматическими клетками и лимфобластами, встречаются единичные макрофаги. В паракортикальной зоне содержание бластных форм клеток невелико, преобладают малые, средние и большие лимфоциты. Мозговые тяжи заполнены лимфоцитами, плазмобластов и плазмоцитов немного. В синусах мозгового вещества, особенно в подчелюстных ЛУ, много функционально активных макрофагов, часть из которых активно фагоцитирует, другая часть находится в тесном контакте с лимфоцитами.

Таким образом, анолит при его пероральном применении не вызывает повреждающего действия на структуру и функциональную активность лимфатических узлов.

В слизистой оболочке желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) лимфоидные образования представлены межэпителиальными лимфоцитами (МЭЛ) лимфоцитами и плазматическими клетками, диффузно заселяющими собственную пластинку (лимфоплазмоцитарная инфильтрация) и лимфоидными узелками, на долю которых приходится 25% слизистой оболочки (Douglas et al, 1975). Лимфоидным узелкам кишечника отводится важная роль в местном иммунитете пищеварительной системы.

По нашим данным пероральное применение анолита на 3-и и 10-е сутки после начала эксперимента не вызывало каких-либо изменений в структуре лимфоидных узелков двенадцатиперстной, тонкой и толстой кишки. Герминативные центры фолликулов содержали небольшое количество лимфоцитов, лимфобластов и плазматических клеток, иногда обнаруживались единичные макрофаги. В мантийной зоне в основном локализовались малые и средние лимфоциты. Увеличение числа лимфоидных узелков не отмечалось.

При пероральном применении анолита мы не обнаружили каких-либо патоморфологических изменений в гистологической структуре ЖКТ. В ткани желудка интерстициальных отеков не выявлено. Клетки покровного эпителия не слущены. Морфологическая структура клеток шеечного отдела, тела и дна желез желудка были такими же, как у контрольных животных. Увеличение содержания МЭЛ не обнаружено.

Структура двенадцатиперстной, тонкой и толстой кишки была такой же, как у животных контрольной группы. Над апикальными отделами эпителиоцитов, выстилающих ворсины, мукозная оболочка сохранена. Содержание МЭЛ не отличалось от контроля. Морфологическая структура покровных эпителиоцитов и подлежащей базальной мембраны не изменена. Качественный и количественный состав клеток лимфоплазмоцитарной инфильтрации в собственной пластинке слизистой оболочки различных отделов кишечника был таким же, как у контрольных животных.

Таким образом, анолит при его пероральном применении не оказывает повреждающего действия на структуру и функциональную активность различных отделов ЖКТ у крыс.

Внутривенное введение анолита осуществляли в вену пениса, поскольку обеспечить точное попадание препарата традиционным методом введения в хвостовую вену сложно. С целью более детального изучения влияния препарата на структуру лимфоидных органов и ЖКТ другой группе животных препарат вводили внутрибрюшинно, так как методом авторадиографии показано, что скорость включения метки в основной кровоток по времени сходна с внутривенным введением. При обоих способах анолит вводили однократно в дозе 1,5 мл на крысу.

Структура тазовых, подколенных, брыжеечных и подчелюстных лимфатических узлов при обоих способах введения, в основном, не обнаруживала каких-либо значительных отклонений от морфологического строения этих органов у контрольных животных. Размеры структурно-функциональных зон узлов (коры, лимфоидных узелков, паракортикальной зоны и мозговых тяжей) были такими же, как у контрольных животных. Однако, по нашим предварительным данным, отмечено, что при внутрибрюшинном введении в подчелюстных ЛУ несколько увеличивалось содержание клеточных элементов в корковой зоне (в основном лимфоцитов), а в брыжеечных ЛУ в паракортикальной зоне наблюдались скопления лимфоцитов и лимфобластов в зонах посткапиллярных венул с высоким эндотелием. Такие образования напоминают периваскулярные муфты селезенки и могут свидетельствовать об усилении миграционной активности лимфоцитов.

При внутривенном и внутрибрюшинном способах введения анолита через 1 и 3 суток после начала эксперимента мы не обнаружили никаких изменений в структуре ЖКТ.

В ткани желудка атрофических и эрозивных явлений поверхности слизистой оболочки не выявлено. Клетки выстилающего эпителия сохранены, имеют типичное строение, интерстициальные отеки отсутствуют. Структура париетальных и обкладочных клеток дна и тела желудка не изменена. Изменений качественного и количественного состава лимфоплазмоцитарной инфильтрации собственной пластинки слизистой оболочки не выявлено.

Структура двенадцатиперстной и тонкой кишки полностью сохранена. Выстилающие ворсины энтероциты имеют типичные размеры и строение. Наружный слизистый слой не нарушен. Содержание МЭЛ и бокаловидных клеток не увеличено. Качественный и количественный состав лимфоплазмоцитарной инфильтрации в собственной пластинке ворсин не изменен: она состоит в основном из средних и больших лимфоцитов, незначительного количества плазматических клеток и единичных эозинофилов. Состояние клеток крипт такое же, как в норме. Гистологическая картина структуры толстой кишки была такой же, как у контрольных животных. Дистрофических изменений клеток поверхностного эпителия не обнаружено. Целостность покровного эпителия сохранена, язв и эрозий не наблюдалось. Число и морфологическая структура желез не изменены, структура крипт без видимых изменений. Лимфоплазмоцитарная инфильтрация собственной пластинки слизистой оболочки умеренная.

Таким образом, нами не установлено какого-либо повреждающего действия анолита на структуру ЛУ и различных отделов ЖКТ крыс через 1 и 3 суток после внутривенного и внутрибрюшинного введения.

Положительные результаты экспериментального исследования свидетельствуют о необходимости продолжения экспериментальных работ и, с большой долей вероятности, о перспективности последующей клинической апробации ЭХА растворов в лечебных целях.

Прогнозируя, в недалеком будущем, применение ЭХА растворов в клинической практике нам представляется целесообразным предложить аббревиатурный термин для унифицированной характеристики свойств и области приложения ЭХА растворов: ЭХА – терапия – применение электрохимически активированных растворов в клинической практике.

Собственно, если быть точными, то ЭХА растворы в клинической практике уже применяются. При этом "эксплуатируются" в основном стерилизующие, дезинфицирующие и моющие свойства растворов. Замачивание, дезинфекция и стерилизация эндоскопических, лапароскопических инструментов, общехирургического инструментария являются обыденными и, одновременно, высокоэффективными методами обработки.

В перспективе нам представляется оптимальным комплексное применение электрохимически активированных растворов как в традиционной и всесторонне апробированной области, так и для ЭХА – терапии, основанное и базирующееся на уникальных свойствах ЭХА растворов в сочетании с выраженным экономическим эффектом от применения последних.