Применение осмометров в клинической лабораторной диагностике

Известно, что организм высших животных и человека характеризуется совокупностью показателей, описывающих физико-химические свойства внутренней среды организма и его физические характеристики.

Данная совокупность определяет некоторый функциональный уровень организма. Этот уровень поддерживается в результате деятельности комплекса разнообразных функциональных систем, ответственных за выполнение определенных функций (например, функций, поддержания постоянства температуры организма, артериального давления и др.).

В соответствии с концепцией гомеостаза, организм может находиться в равновесии только тогда, когда каждая входящая в его состав подсистема также находится в равновесном состоянии. Организация и функционирование живых систем характеризуется сложностью процессов управления, обеспечивающих их высокую надежность и способность противостоять воздействиям внешней среды. Эффективность процессов управления в значительной степени зависит от постоянства внутренней среды организма, которую необходимо непрерывно поддерживать с учетом характеристик внешних воздействий.

Еще в XIX веке великий ученый Клод Бернар обосновал представление о том, что поддержание постоянства состава внутренней среды есть основа нашей свободной и независимой жизни.

Системой, отвечающей за процессы всасывания, распределения, потребления и выведения воды и солей, и таким образом, обеспечивающей относительное постоянство осмотического давления жидкостей внутренней среды, является система регуляции водно-солевого обмена или система осморегуляции, основным регулируемым параметром которой является суммарная концентрация осмотически активных веществ (осмоляльность), которая поддерживается в организме с высокой точностью. С особой точностью поддерживается состав крови.

Поддержание осмоляльности на нормальном уровне осуществляется этой системой с весьма сложными центральными и периферическими механизмами. Система осморегуляции включает афферентное звено в виде осморецепторов (датчиков) – чувствительных образований, обращенных во внутреннюю среду и реагирующих на изменение концентрации в ней растворенных частиц. Импульсы от осморецепторов передаются в гипоталамический центр осморегуляции (супраоптическое ядро гипоталамуса), а оттуда – к исполнительным органам (почки, потовые железы, желудочно-кишечный тракт).

У здоровых людей в норме осмоляльность плазмы крови составляет 285 ±10 , слюны – 100…200 , желудочного сока - 160…340 , желчи – 280…300 , мочи 50…1500 ммоль/кг Н₂О. Эффекторным (исполнительным) органом в системе осморегуляции крови является почка.

Сущность процесса регуляции, обеспечивающего постоянство концентрации осмотически активных веществ в крови, состоит в том, что при повышении осмоляльности крови раздражаются осморецепторы, широко представленные в различных органах и тканях. Под влиянием этих стимулов возбуждаются нейроны супраоптического ядра гипоталамуса, из которых освобождается в кровь антидиуретический гормон (АДГ)- вазопрессин. В результате чего в собирательных трубках почек АДГ увеличивает проницаемость для воды и возрастает реабсорбция (обратное всасывание) воды в кровь из первичной мочи и постепенно нормализуется осмотический статус крови. Таким образом, вода задерживается в организме, а моча выделяется концентрированной (верхний предел изменения концентрации мочи 1500 ммоль/кг Н₂О ).

В обычных условиях увеличение концентрации крови на 1 ммоль/кг Н₂О приводит к секреции АДГ, при этом осмоляльность мочи возрастает почти в 100 раз – 80-95 ммоль/кг Н₂О.

Противоположная по знаку реакция – уменьшение секреции АДГ наступает при гипоосмии (уменьшении концентрации), что приводит, наоборот, к увеличению выделения воды из организма. По этой причине моча выделяется значительно меньшей концентрации (нижний предел изменения концентрации мочи 50 ммоль/кгН₂О).

Как было отмечено, исполнительным органом в системе осморегулирования крови является почка. Всякое нарушение функции почки приводит к осмотическим сдвигам и тяжелым последствиям, может вызвать отеки, судороги, слабость, тяжелую анемию и др.

Отсюда важный вывод о том, как ценна информация о состоянии системы водно-солевого обмена в клинической практике.

В мировой практике осмоляльность биологических жидкостей измеряется с помощью высокочувствительных приборов, называемых осмометрами.

Водные растворы, какими являются биологические жидкости, характеризуются группой связанных друг с другом свойств, называемых коллигативными (коллективными). Четыре свойства из группы коллигативных свойств рассматриваются обычно вместе, а именно:

1. Понижение давления пара растворителя над раствором

ΔPпар = Кпар · m ,

где m - моляльность; Кпар – константа давления пара.

2. Повышение температуры кипения раствора

ΔТкип = Ккип · m ,

где m – моляльность; Ккип – эбулиоскопическая константа.

3. Понижение температуры замерзания раствора

ΔТзам = Кзам · m ,

где m – моляльность; Кзам – криоскопическая константа.

4. Осмотическое давление

ΔРосм = Косм · m ,

где m – моляльность; Косм – константа осмотического давления.

Как видно, эти свойства изменяются пропорционально концентрации m растворенного вещества. Причем, эти свойства не зависят от природы и химического состава растворенного вещества. Каждое из перечисленных коллигативных свойств может быть измерено (причем, измерив одно свойство, можно рассчитать другие по известным формулам) и использовано для построения приборов, называемых осмометрами, которые широко применяются в мировой клинической практике для контроля осмоляльности биологических жидкостей (кровь, моча, ликвор идр.) и водных растворов (инфузионные растворы, кровезаменители, растворы парентерального и энтерального питания и др.).

В соответствии с перечисленными свойствами на мировом рынке медицинской техники существуют:

•  осмометры давления пара;

•  осмометры по точке замерзания (криоскопические);

•  мембранные осмометры (осмометры прямого действия).

Примечание: учитывая специфический характер второго свойства, на практике осмометры по температуре кипения для биологических объектов не нашли применения.

При выборе осмометра необходимо понимать, что по некоторым характеристикам они не взаимозаменяемы. Дадим характеристику каждому.

Осмометры давления пара

Этот тип приборов отличается тем, что для измерения требуется минимальный объем пробы (единицы микролитров), что имеет большое значение, когда из объекта исследования нельзя взять больший объем. Однако по причине малости объема пробы осмометры давления пара имеют большую погрешность по сравнению с другими. Кроме того, результат измерения зависит от изменения атмосферного давления. Основное применение эти приборы нашли в научных исследованиях и педиатрической практике для исследований крови новорожденных, взятой из пальчика или пяточки. Диапазон измеряемых концентраций ограничивается 2000 ммоль/кг Н₂О. В российских ЛПУ они не нашли широкого применения. В Европейском союзе осмометры давления пара производит фирма Dr . Knauer , Gonotec (Германия), в США - фирма Wescor .

Мембранные осмометры

Осмосом называется процесс, при котором происходит движение молекул растворителя из раствора с низкой концентрацией в раствор с высокой концентрацией через мембрану, проницаемую только для молекул растворителя. На этом свойстве строятся осмометры, называемые мембранными. В их конструкции могут использоваться как искусственные мембраны (например, целлофан), так и природные (например, кожа лягушки).

Приборы этого типа используются для измерения так называемого коллоидно-осмотического давления крови (КОД), которое создается высокомолекулярной (более 30000 Д) составляющей общей концентрации осмотически активных частиц, содержащихся в плазме крови. Это давление называется также онкотическим и создается преимущественно белками. КОД составляет менее 3 ммоль/кг Н₂О и поэтому незначительно влияет на общее осмотическое давление, но имеет определяющее значение для процессов транскапиллярного обмена. Эта составляющая общего давления имеет важное диагностическое значение. Мембранные осмометры производят фирмы Dr. Knauer , Gonotec , Германия (Osmomat 050), в США - фирма Wescor . Интересно, что фирма доктора Кнауэра предлагает всю линейку осмометров, перекрывая, таким образом, весь диапазон частиц с молекулярной массой, включая миллионные.

Приборы этого типа в России не производятся. О применении зарубежных приборов имеется скудная информация.

Осмометры по точке замерзания (криоскопические)

Осмометры, принцип действия которых основан на измерении понижения (депрессии) температуры замерзания раствора в сравнении с температурой замерзания растворителя (в нашем случае воды), нашли наибольшее распространение по причине наилучшей пригодности этой методики для лабораторной клинической диагностики нарушений водного и электролитного баланса (молекулярные массы частиц биологических жидкостей не превышают 30000 Д).

Первые образцы приборов, больше напоминавшие установки, были громоздкими по причине несовершенства охлаждающей системы (использовались льдосолевые смеси), в качестве индикатора температуры замерзания применялись ртутные термометры.

Пионерские исследования академика А.Ф. Иоффе в области физики полупроводников позволили подойти к практической реализации термоэлектрических модулей (микроохладителей), что позволяло строить компактные термостатирующие устройства. Шестидесятые годы можно охарактеризовать, как период бурного развития научных исследований в области осмометрии, метрологии осмометрии и появления на рынке приборостроительных фирм с первыми моделями осмометров. К таким фирмам можно отнести упоминавшуюся фирму доктора Герберта Кнауэра (с которым автор имел длительный период общения), фирмы Advanced Instr. Inc. и Precision Syst. (США), которые в настоящее время являются крупнейшими по разработке и производству осмометров и криоскопов. В этот же период в больницах и научных учреждениях медико-биологического профиля стали появляться первые приборы этих фирм. Наибольшее распространение получили модели 3D2 (Advanced Instr. Inc.) и полумикроосмометр доктора Кнауэра.

Развитие этого направления в нашей стране началось с десятилетним опозданием в 1974 году в рамках Постановлений Советского Правительства по разработке высокочувствительных приборов и их внедрению в практику медико-биологических исследований. Куратором работ выступала Академия наук СССР. Работа в этом направлении была поручена ВНИИ Научного приборостроения (в последствии объединившегося с НПП «Буревестник»), на котором с 1972 года работал автор этой статьи. Работа по реализации этого Постановления позволила автору создать и освоить в производстве модель осмометра типа МТ-1, которая стала базовой для разработки пяти поколений осмометров (МТ-2, МТ-4, МТ-5 и ОМТ-5) использующихся как в промышленности, так и медицине. На фото показан первый в СССР (1976 год) высокочувствительный миллиосмометр с чувствительностью, равной 0,1 ммоль/кг H₂O.

Впервые были разработаны средства метрологического обеспечения измерений осмоляльности и температуры замерзания водных растворов, что позволяло осуществлять производство приборов данного типа на территории СССР, а потом России. Государственной службой стандартных справочных данных утверждены Таблицы под № ГСССД 154-91 «ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ ХЛОРИДОВ НАТРИЯ И КАЛИЯ. ПОНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЗАМЕРЗАНИЯ И ЭФФЕКТИВНЫЕ (ОСМОТИЧЕСКИЕ) КОНЦЕНТРАЦИИ».

Результаты работы по реализации методики осмометрии, ее теоретическое обоснование были обобщены автором в диссертационной работе на тему «Разработка и исследование технических средств измерения концентрации осмотически активных веществ в биологических жидкостях и водных растворах » .

Высокое качество разработок (осмометр МТ-2 является Золотым медалистом Лейпцигской ярмарки и был высоко оценен западными специалистами) и востребованность приборов позволили автору создать и возглавить лабораторию Осмометрии, в рамках которой разработано большинство приборов. Общее количество приборов, выпущенных по разработкам автора, насчитывает более 1000 шт. Большое количество (300 шт.) приборов МТ-2, использовалось в ЛПУ Министерства здравоохранения и лечебных учреждениях Министерства обороны. Прибор МТ-2 имел разрешение Комитета по новой медицинской технике на использование в ЛПУ МЗ СССР.

В 2009 году автор покинул стены НПП "Буревестник", зарегистрировался как индивидуальный предприниматель и, имея почти 40-летний опыт в разработке осмометров, в кратчайший срок создал сначала общетехнический осмометр ОСКР-1, зарегистрированный в реестре средств измерения РФ под №79860-20, а затем медицинский осмометр ОСКР-1М.

Прибор ОСКР-1М является моделью, выполненной по современным технологиям, имеющей совершенное программное обеспечение, отличающейся высокими метрологическими и надежностными характеристиками, и, что немаловажно, такой характеристикой, как хорошее соотношение цены и качества. Так, например, по сравнению с зарубежными аналогами типа Adv. Instr. 3250 цена прибора ОСКР-1М отличается в разы, что очень важно, имея в виду скудный бюджет ЛПУ.

Сравнивая характеристики эффективности приборов, можно отметить некоторые отличия в их конкретных выражениях (величинах). Рассмотрим эти показатели, обозначенные в сравнительной таблице для следующих приборов: осмометр криоскопический ОМТ-5, осмометр криоскопический 3250 - Adv. Insr.

Диапазон измеряемой концентрации ОСКР-1М достаточен для проведения лабораторных исследований во всем диапазоне концентраций биологических жидкостей, встречающихся на практике, как в норме, так и патологии. Более широкий диапазон у западных аналогов свидетельствует лишь о том, что эти приборы не являются специализированными медицинскими, а имеют более широкое применение (о чем можно судить из рекламных материалов этих фирм). Поддиапазон от 2000 до 4000 ммоль/кг H₂O прибора 3250 не следует относить к медицинскому. Из отечественных приборов осмометр МТ-1 имел диапазон до 4000 ммоль/кг H₂O, и предназначался в том числе для научных исследований.

Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности в диапазоне от 0 до 500 ммоль/кг H₂O и основной относительной погрешности в диапазоне от 500 до 2000 ммоль/кг H₂O соответствуют требованиям проведения лабораторного анализа.

Некоторые отличия между приборами в задании численного значения первого поддиапазона не являются существенными, поскольку осмоляльность крови не может превышать 400 ммоль/кг H₂O даже в исключительных случаях (в норме осмоляльность крови составляет 280-295 ммоль/кг H₂O ). В патологических случаях осмоляльность может повышаться до 380 (гиперосмоляльный синдром) с непредсказуемым исходом. Диапазон изменения концентрации мочи лежит в пределах от 50 до 1500 ммоль/кг H₂O .

Объем пробы и время измерения всех перечисленных приборов соответствуют принятым в мировой практике.

Меньшая мощность, потребляемая ОСКР-1М, объясняется конструктивными особенностями, среди которых стоит отметить безжидкостную систему охлаждения, не требующую обслуживания. Применение современных конструктивов и элементной базы позволили создать компактный прибор, удобный в работе и занимающий небольшую площадь в стесненных лабораторных условиях. Незначительный вес и габариты при необходимости позволяют приблизить прибор к пациенту (это важно для экспресс-лабораторий реанимационных отделений).

Вместо заключения…

Итак, сформулируем основные области применения ОСКР-1М в ЛПУ различного профиля.

Клинико-диагностические лаборатории больниц:

• Общий контроль водно-солевого баланса организма;
• Исследования при гипер/гипонатриемиях;
• Контроль эффективности специфической терапии АДГ;
• Оценка состояния центрального звена осморегуляции (диагностика несахарного диабета);
• Контроль эффективности инсулиновой терапии.

Лаборатории родильных клиник и отделений:

• Диагностика токсикозов беременности;
• Определение потерь жидкости при искусственной вентиляции легких, при диспепсиях и других нарушениях у новорожденных;
• Выбор оптимальных питательных смесей для новорожденных с нарушением функции регуляции водно-солевого обмена.

Аптеки ЛПУ, лаборатории экстракорпорального оплодотворения (ЭКО), банки крови:

• Контроль качества при производстве лекарственных препаратов, включая детские формы, электролитные растворы и другие парентеральные средства;
• Контроль качества водных растворов и стандартов, которые используются при приготовлении растворов и сред, фиксации и выращивания культуры клеток в лабораториях ЭКО;
• Оценка наличия глицерина в замороженной плазме.

Экспресс-лаборатории палат интенсивной терапии, реанимационных и хирургических отделений: клиник и отделений, ожоговых центров (отделений термических поражений):

• Контроль эффективности инфузионной терапии;
• Контроль водно-солевого равновесия при парентеральном питании больных;
• Экстренная оценка уровня токсемии для назначения диализа при различных интоксикациях (алкогольных, лекарственных и.т.п.). Контроль эффективности диализа;
• Контроль перфузии при аортокоронарном шунтировании или операциях на почках для предотвращения гиповолемического шока;
• Контроль уровня жидкости в послеоперационном периоде.

Внедрение прибора в практику медицинского лабораторного анализа будет хорошим ответом на провозглашенную Президентом РФ Медведевым Д.А. программу «Здоровье», направленную на оказание качественной и квалифицированной медицинской помощи населению. Без применения высоких технологий, в том числе в области лабораторного анализа, поставленные задачи не решить.