Свойства ультразвуковых волн, воздействие ультразвука на биосистему

Скорость оседания эритроцитов, например, увеличивается  в результате воздействия ультразвуком с интенсивностью 8 мВт/см2 (1 МГц), что, вероятно, свидетельствует об уменьшении их поверхностного заряда.

Мембранный потенциал  эритроцитов крысы заметно уменьшается под действием ультразвука и возвращается к исходным значениям через 15...30 мин после прекращения облучения.

Уменьшается на 5...10 % электрофоретическая подвижность  клеток асцитной карциномы Эрлиха, подвергнутых действию ультразвука (0,5.,3,2 МГц; 10 Вт/см2 SPTA). Понижается электрофоретическая подвижность и лимфомы мышей (2 МГц; 10 Вт/см2 SPTA). Эффект обнаруживается только при кавитации и заметно уменьшается с повышением статического давления или при укорочении длительности акустического импульса, т. е. при условиях, когда возникновение кавитирующих пузырьков затруднено.

Часть клеток при  облучении ультразвуком разрушается, но клетки, пережившие воздействие, по внешнему виду и способности к пролиферации не отличаются от контрольных, хотя их электрофоретическая подвижность возвращается к нормальным значениям лишь через 45...50 ч,

 

Действие  ультразвука на внутриклеточные  структуры

 

Реакция клетки на ультразвук не ограничивается изменениями  только в ее поверхностных структурах, по всей вероятности, ультразвук оказывает влияние не только на жизнедеятельность клетки в целом, но и на структуру и функции отдельных клеточных органелл.

Под влиянием ультразвука (0,2 Вт/см2; 0,88 МГц) меняются условия транспорта ионов через мембрану митохондрий, наблюдается разобщение свободного дыхания и фосфорилирующего окисления в них. Степень разобщения возрастает при увеличении интенсивности ультразвука от 0,05 до 1,2 Вт/см2, достигая максимума при 1 Вт/см2 (0,88 МГц; 5 мин). При 2,5 Вт/см2 (1 МГц; 5 мин) возникают нарушения в мембранах лизосом, что можно наблюдать на типичной картине лизиса клеток печени крыс. Аналогичный эффект наблюдается и под действием низкочастотного (20 кГц) ультразвука.

В определенных условиях ультразвук может вызвать разрушение ядер в клетках НеLa, не нарушая при этом целостности цитоплазматических мембран. Такие специфические нарушения не могут быть обусловлены кавитациейк микропотоками и предположительно объясняются возникновением резонансных волн на поверхности ядерных мембран. Кроме того, ультразвук (0.5...3 Вт/см2; 0,8...2 МГц; 2... 10 мин) вызывает изменение числа гранул гликогена в клетках, нарушение целостности эндоплазматического ретикулума, увеличение количества лизосом, изменение структуры митохондрий в клетках и т. д.

Несмотря на кажущуюся  простоту ситуации, в настоящее время оказывается весьма непросто выделить первичные явления в клетке, вызванные физико-химическими процессами в ультразвуковом поле.

Действительно, количество гликогена в клетке, число и  активность лизосом, форма саркоплазматической  сети меняются в широких пределах в процессе жизнедеятельности. Поэтому  наблюдаемые под действием ультразвука  изменения могут свидетельствовать  только о биологической реакции  клетки на внешнее неспецифическое  воздействие. Если ультразвуковое воздействие оказалось не летальным для клетки, то возникшие в ней изменения репарируются в течение примерно 100 ч. Лишь митохондриям необходимо значительно больше времени для восстановления своей структуры и функции.

Последействия ультразвука  на жизнедеятельность клетки

 

Наблюдая за клеткой  после облучения ультразвуком, можно  обнаружить, что в течение достаточно длительного времени в клетке развиваются процессы последействия, приводящие к морфологическим и функциональным изменениям.

Некоторые из наблюдаемых  процессов, например увеличение проницаемости  и уменьшение мембранного потенциала под действием ультразвука и последующее возвращение этих параметров к исходным значениям, но крайней мере, частично, обусловлены достаточно простыми физико-химическими явлениями.

Так, состояние поверхности  клетки, нарушенное ультразвуковыми микропотоками, способными «смыть» поверхностно-активные биомакромолекулы, самопроизвольно восстановится, по меньшей мере, через несколько минут.

Длительно в реальном масштабе времени и восстановление доннановского равновесия, обусловленного разделением ионов на мембране и нарушаемого микропотоками, увеличивающими градиенты концентрации.

Оба процесса - адсорбция  поверхностно-активных веществ на клеточной  мембране и восстановление равновесия Допнана контролируются диффузией и достаточно медленны.

Сравнивая время  восстановления биологических функций  клеточных мембран со временем, характерным для формирования поверхностей раздела в растворах, содержащих высокомолекулярные поверхностно-активные вещества, можно видеть, что эти величины совпадают в пределах порядка.

Так, электрофоретическая  подвижность эритроцитов, сниженная  в результате ультразвуковой обработки (0,02... 1 Вт/см2; 0,4 МГц и 0,8 МГц; 3 с.,.3 мин), восстанавливается через 3...5 мин после выключения ультразвука. В течение 15...30 мин остается повышенной проницаемость мембран эритроцитов и лимфоцитов для молекул красителя трипанового синего.

В связи с этим необходимо отметить, что общепринятый метод определения жизнеспособных и мертвых клеток по окрашиваемости последних трипановым сипим или другими красителями не всегда пригоден для клеток, подвергнутых ультразвуковому воздействию. Сразу после ультразвукового облучения клетки могут легко окрашиваться из-за повышенной проницаемости мембран, по через 20...50 мин окрашиваемых клеток оказывается примерно столько же, сколько и в контрольном образце, не облученном ультразвуком.

Другие процессы, развивающиеся в клетке после  ультразвукового воздействия, имеют  выраженный характер биологического ответа на внешнее возмущение.

Клетки тромбоцитов, например, подвергнутые ультразвуковой обработке (1 МГц; 0,2.„0,6 Вт/см2; 5 мин), на электронных микрофотографиях не отличаются от контрольных К функционируют как интактные. Однако через 30 мин инкубации при 22 °С в контрольных и облученных ультразвуком клетках возникают заметные функциональные и морфологические различия. Время рекальцификации тромбоцитов, мало изменяющееся в процессе ультразвуковой обработки (1 МГц; 0,065...2 Вт/см2, 5 мин), необратимо снижается в течение 4...6 ч после облучения.

Обратимое снижение электрокинетического потенциала клеток лимфомы мышей можно наблюдать в течение 40...48 ч после ультразвукового воздействия (2 МГц; 10 Вт/см2SPTA\ 5 мин).

В относительно мягких условиях ультразвуковой обработки (1...5 МГц; 0,2...1 Вт/см2; 5 мин; импульсный режим) наблюдаются процессы стимулирования синтеза соединительного белка в клетках культуры фибробластов, интерферона в лейкоцитах и т.д. Увеличение интенсивности ультразвука приводит к угнетению биохимических процессов в клетках, к уменьшению числа клеток в культуре, причем наиболее выраженное угнетение наблюдается на частоте 1 МГц.

При невысоких (терапевтических) интенсивностях ультразвука эффект стимулирования синтеза белка наблюдается  и в тканях теплокровных.

Так, 3-4 сеанса облучения  ультразвуком (3 МГц; 0,5 Вт/см2; 5 мин) вызывают в тканях уха кролика, поврежденного криохирургическим инструментом, заметное ускорение синтеза коллагена. Этот эффект лежит в основе ультразвуковых методов ускорения заживления ран.

Ускорение биохимических  процессов в клетке приводит к  повышению ее физиологической активности, к увеличению сопротивляемости внешним воздействиям.

Клетки костного мозга, облученные ультразвуком (0,8 МГц; 0,3...0,7 Вт/см2; 20 мин) и введенные контрольным животным, дают начало большему числу колоний на поверхности и в паренхиме селезенки. Колонии растут быстрее, ускоряется и дифференциация колоний.

Бродильная активность дрожжей после обработки ультразвуком (425 кГц; 0,5.,.5 ч) увеличивается па 12...15 %, а количество клеток в облученной ультразвуком (0,8 МГц; 2,5 Вт/см2; 5 мин) суспензии быстро увеличивается.

Обработка ультразвуком (0,9 и 2,6 МГц; 0,5...1,2 Вт/см2; 10 мин) несколько снижает число жизнеспособных клеток костного мозга в суспензии. Однако уже после нескольких суток хранения при 40С в облученных ультразвуком образцах остается значительно больше жизнеспособных клеток, чем в контрольных образцах. Время разрушения половины клеток костного мозга в суспензии увеличивается после ультразвукового воздействия практически вдвое - с 5 до 9 дней, что позволяет при хранении уменьшить потери клеток, пригодных для трансплантации.

Увеличение интенсивности  ультразвука до значений, превышающих 1...1.5 Вт/см2, приводит, как правило, к подавлению биологических функций клеток. Непрерывный ультразвук (1 и 2 МГц; 0,8...2,6 Вт/см2; 60 мин) подавляет скорость роста амниотических клеток в культуре, причем порог подавляющего действия лежит между 0,8 и 1,7 Вт/см2.

Между областями  явного стимулирования и явного подавления лежит область, где наблюдается  суперпозиция этих эффектов. Так, клеткам  асинхронной культуры ткани китайского хомячка после ультразвуковой обработки (1 МГц; 2,5 Вт/см2 SPTA; 1 мин) предоставили возможность роста в монослое. В первые 24 ч роста не наблюдалось. Затем обнаружился рост, и к 35-му часу скорость роста нормализовалась. В данном случае остановка роста в первые 24 ч объясняется примерным равенством гибнущих и пролиферирующих клеток в среде.

Обычно клетки животных тканей в культуре хорошо переносят  ультразвуковое облучение, если исключаются  кавитация или нагрев. Выжившие клетки, как правило, способны к нормальному  росту и развитию, хотя образованные ими колонии нередко не достигают размеров, характерных для колоний, возникших из необлученных ультразвуком клеток.

Ультразвуковое  воздействие на деление клеток

 

Временное ингибирование  некоторых функций организма  и отдаление периодов наибольшей активности важнейших из них является общей реакцией организма и отдельных его систем на внешнее повреждающее воздействие. Особенно часто этот феномен проявляется в задержке клеточного деления в некоторых тканях в ответ на повреждающие, активирующие или сигнальные воздействия. Действие ультразвука также временно уменьшает скорость деления клеток.

На клетках мерисистемы корней гороха показано, что непрерывный ультразвук (2 МГц; 0,5...20 Вт/см2; 1 мин), как и импульсный сходных параметров, вызывает уменьшение скорости роста корня, уменьшение митотического индекса, снижение скорости синтеза белка, ДНК и РНК. Интересно отметить, что, в основном, эффект возникает в первые секунды облучения, а затем лишь незначительно увеличивается.

Животные ткани  более чувствительны к ультразвуку, и скорость деления клеток в них  уменьшается при весьма малых  интенсивностях ультразвука. Так, пятиминутное облучение ультразвуком интенсивностью 60 мВт/см2 (1 МГц) заметно снижает митотический индекс в тканях печени крыс. Облучение ультразвуком (2 МГц; 0,1 Вт/см2; 5 мин) клеток аденокарциномы Эрлиха приводит к торможению роста опухоли, возникшей при перевивании этих меток. Патогенность облученных ультразвуком клеток карциномы имеет тенденцию к восстановлению и во втором пассаже мало отличается от контрольных образцов. Снижается скорость деления и при воздействии ультразвуком на клетки в культуре фибробластов человека.

Наиболее существенна  задержка в скорости деления клеток культуры лейкомичных мышей при действии ультразвука (1 МГц; длительность импульса - 1 мс; частота следования импульсов 1 кГц; 5 Вт/см2) па «покоящуюся» клетку Задержка практически незаметна, если клетка находится в стадии митотического деления, хотя ее механическая прочность уменьшается, что, по-видимому обусловлено значительными изменениями в структуре клетки, предшествующими ее делению. Так, фибриллярная структура митотического веретена может разрушаться при воздействии ультразвуком относительно невысоких интенсивностей (0,8 МГц; 0,2.-0,5 Вт/см2).

В настоящее время  есть очень мало данных, характеризующих  чувствительность клеток к ультразвуку  в разные фазы митотического цикла. Представляются бесспорными лишь факты  задержки клеточного деления в интерфазе и меньшей чувствительности митотического индекса к ультразвуку в период митоза.

Задержка клеточного деления под влиянием различных  воздействий относится не к патологическим проявлениям, а к физиологическим защитным реакциям, направленным на увеличение длительности интерфазы до значений, достаточных для репарации нарушений, накопившихся в клетке. Повреждения, не отрепарированные в интерфазе, могут во время митоза проявиться в виде серьезных дефектов, приводящих клетку к гибели.

В период митоза многие функции клетки весьма напряжены, что  ослабляет работу репарационных  механизмов. Поэтому задержка клеточного деления на стадии митоза не имеет биологического смысла. Внешнее воздействие именно в этот промежуток митотического цикла, возможно, приводит к хромосомным аберрациям и другим тяжелым для клетки последствиям.

 

Комбинированное действие ультразвука и некоторых  других физико-химических факторов на клетки

 

Широкое внедрение  в клинику комплексных методов  лечения и часто встречающиеся  сочетания ультразвука с другими  физическими факторами и фармакологическими средствами потребовали специального изучения реакции организма в целом и клетки в частности на такие комбинированные воздействия.

Особый интерес  представляет исследование последовательного  и одновременного действия на клетки ионизирующего и ультразвукового излучений. Подобная совокупность воздействий нередко встречается в диагностике и в терапии и требует пристального внимания в связи с тем, что, по крайней мере, ионизирующие излучения способны вызывать различные хромосомные аберрация.

Так, при сравнении  действия рентгеновского излучения (290 Р) и ультразвука (1 МГц; 1,1 Вт/см2; 1 мин; непрерывный режим) на клетки меристемы корешков гороха было показано, что число микроядер в клетках увеличивается только в первом случае и никогда - во втором. Это лишний раз подтверждает мутагенную активность рентгеновского излучения и отсутствие этого свойства у ультразвука указанных параметров.