Свойства ультразвуковых волн, воздействие ультразвука на биосистему

Не увеличивается  число хромосомных аберраций, индуцированных в клетках костного мозга мышей рентгеновским облучением (50 Р) после предварительной ультразвуковой (0,8 М Гц; 0,1 ..1 Вт/см2; 5 мин) обработки.

Несколько иная картина  наблюдалась при исследовании реакции  лимфоцитов на комбинированное ультразвуковое и рентгеновское (20, 50,100 Р) воздействие. Ультразвук (0,8 МГц; 3 Вт/см2; 10 мин) существенно увеличивает число хромосомных нарушений, если цельная кровь, в которой находились лимфоциты, сначала подвергалась радиоактивному, а затем (через 5 мин) ультразвуковому воздействию. Если кровь сначала подвергалась действию ультразвука, а затем ионизирующего излучения, число хромосомных аберраций не увеличивалось. Ясли на клетки после рентгеновского облучения в течение часа действовать ультразвуком низкой интенсивности (2 МГц; 0,02 Вт/см2), число хромосомных нарушений заметно уменьшается по сравнению с контрольными образцами. Тот же ультразвук, использованный до рентгеновского облучения, заметно увеличивает (по сравнению с контрольным образцом) число нарушений в клеточных хромосомах.

Зависимость реакции  клетки па ультразвуковое воздействие  от ее состояния наглядно проявляется  в опытах с клетками, метаболизм которых целенаправленно изменен различными веществами или подбором внешних условий.. Защитными свойствами обладает сывороточный компонент питательной среды, обеспечивающий нормальную работу защитных механизмов клетки. Он повышает па 80% выживаемость клеток НеLa и предотвращает подавление роста культуры, облученной ультразвуком.

Комбинированное действие ультразвука с различными веществами удобно исследовать на клетках дрожжей.

Рис. З.12. Необратимое  уменьшение фотоиндуцированного стечения дрожжей а суспензии под влиянием H2S (конечная концентрация 10-2моль)

Реакция клеток дрожжей  на ультразвуковое воздействие отражается на их фотоиндуцированной хемилюминесценции, связанной с активностью обменных процессов (рис. 3.12). При облучении ультразвуком с интенсивностью 0,4 Вт/см2 практически все клетки в суспензии остаются жизнеспособными. Увеличение интенсивности ультразвука до 1 Вт/см2 приводит к гибели 10 % клеток.

   Рис. 3.13. Последовательное действие ультразвука и N2S на фотоиндуцированное свечение дрожжей в суспензии (стрелками указаны моменты включения и выключения ультразвука)

Например, Na2S в концентрации 10-2 моль приводит к необратимому уменьшению интенсивности свечения. При концентрации 10-3 моль это вещество обратимо уменьшает интенсивность свечения, восстановление которой происходит в течение 30…40 мин. Восстановление интенсивности свечения до исходною уровня, очевидно, обусловлено функционированием защитных механизмов клетки.

Ультразвук (880 кГц; 0,4 Вт/см2) существенно увеличивает эффективность влияния нарост и интенсивность биолюминесценции светящихся бактерий цитотоксических лекарственных препаратов: цитостатина, циклофосфана и антибиотика широкого спектра действия дексорубицина, используемых для лечения злокачественных новообразований.

Кокаин и кураре в низких концентрациях проявляют  защитные свойства при повреждающем действии ультразвука на ткани головастиков. Вещества, защищающие клетки от повреждающего ультразвукового воздействия, можно назвать сонопротекторами по аналогии с радиопротекторами, защищающими биологические объекты от ионизирующих излучений.

 

. Разрушение  клеток под действием ультразвука

 

Рис. 3.14. Гемолиз  эритроцитов в поле микропотоков вблизи заостренного излучателя ультразвука с частотой 20 кГц в зависимости от амплитуды колебаний инструмента

При ультразвуковой кавитации суспендированные в жидкости клетки испытывают значительные механические усилия и разрушаются. Особенно эффективен для разрушения клеток низкочастотный ультразвук. Например, вблизи колеблющегося с частотой 20 кГц торца ультразвукового инструмента гемолиз наблюдается при амплитудах 16...20 мкм .

Регулируя условия  ультразвукового воздействия - меняя частоту, мощность и время ультразвукового воздействия, а также состав среды, - можно получать конечный продукт с заданными свойствами. Так, дезинтеграция перевиваемой культуры клеток почки теленка, зараженной вирусом инфекционного ринотрахеита крупного рогатого скота, ультразвуком с частотой 22 кГц и амплитудой колебаний 40 мкм в течение трех минут позволяет получать частицы с повышенной способностью связывать антитела против упомянутого вируса. Эти частицы пригодны для вакцинации и изготовления эффективных диагностикумов. Дезинтеграция тех же клеток ультразвуком с частотой 44 кГц дает возможность выделять преимущественно полноценные вирусные частицы, пригодные для заражения клеток культуры тканей с целью дальнейшей наработки материала для вакцин и диагностикумов. Варьируя параметры ультразвукового воздействия, можно получить частицы с различным соотношением инфекционной и антигенной активности.

 

Механизмы биологического действия ультразвука

 

Поток молекул через  клеточную мембрану описывается  первым законом Фика:

где D - коэффициент диффузии;

dc/dx - градиент концентрации вещества.

В стационарных условиях dc/dx можно заменить отношением разности концентраций с₁₁ – с₁ к толщине мембраны:

где Р = D/l - коэффициент проницаемости мембраны

Для молекул, диффундирующих сквозь нее, этот коэффициент определяется толщиной мембраны и коэффициентом  диффузии.

В реальных условиях слои раствора, непосредственно прилегающие к мембране, практически не перемешиваются, следовательно, концентрация диффундирующих молекул в данных слоях может существенно отличаться от концентрации аналогичных молекул в объеме. Толщина этих так называемых слоев Нернста меняется от единиц до сотен микрометров и зависит от свойств поверхности и интенсивности перемешивания раствора. Совокупность собственно мембраны с диффузионными слоями можно рассматривать как эффективную мембрану толщину которой определяют но формуле:

где   и   толщины диффузионных слоев по обе стороны от мембраны.

Поток через мембрану описывается уравнением

Здесь  - обобщенный коэффициент диффузии с прилегающими слоями;

- проницаемость;

- концентрации молекул.

Под влиянием ультразвука  величины   и   существенно уменьшаются в результате интенсивно перемешивания раствора микропотоками. Соответственно уменьшается   и возрастает поток веществ через мембрану

Коэффициент диффузии в среде и диффузионных слоях  также может меняться под действием  ультразвука, так как цитоплазма и прилегающая к поверхности  клетки среда отличаются выраженной тиксотропией, и уже при интенсивности ультразвука 40 мВт/см2, используемой в диагностике, вязкость клеточного содержимого существенно уменьшается, а температура среды несколько увеличивается за счет поглощения ультразвуковой энергии. Возрастание температуры среды и уменьшение ее вязкости приведут к увеличению коэффициента диффузии в примембраниых слоях, что обусловит увеличение потока молекул не электролитов через мембраны. Это может проиллюстрировать эффект ускорения транспорта Сахаров через мембраны эритроцитов под действием ультразвука с интенсивностью 0,1 Вт/см2 .

Путем обычной диффузии через клеточные мембраны в клетку проникают самые разные соединения. Помимо воды это незаряженные молекулы многих растворимых в воде веществ, в том числе многих сложных лекарственных препаратов. В то же время трансмембранный транспорт ряда жизненно важных для клетки веществ осуществляется специальными, присутствующими в мембранах клетки переносчиками, Такой транспорт но градиенту концентрации, не требующий затраты энергии, называют облегченной диффузией.

При облегченной  диффузии, так же, как и в случае простой диффузии, ультразвуковые микропотоки, перемешивая среду, частично снимают диффузионные ограничения и ускоряют перенос веществ. Это подтверждается ускорением поглощения эритроцитами глюкозы из инкубационной среды при облучении суспензии клеток ультразвуком с интенсивностью 0,1Вт/см2.

При активном транспорте перенос молекул через мембрану осуществляется против градиента кoнценрации с затратой энергии. Действие ультразвуковых микропотоков снижает эффективность транспортировки веществ. В этом случае поток частиц, например ионов натрия, складывается из двух слагаемых:

где  - поток ионов Na+ за счет простой диффузии;

- поток ионов Na+, активно транспортируемых через мембрану.

Очевидно, что   и   противоположно направлены и в стационарных условиях равны. Под влиянием ультразвука  увеличивается, а   в лучшем случае не изменяется. В результате нарушается равновесие ионов па мембране, изменяется се потенциал.

В этих рассуждениях не учитывалось действие ультразвука  на структуру самой мембраны. Между  тем, ультразвуковые патоки способны «смывать» с поверхности мембран биомакромолекулы (см, §§ 1.10 и 3.2). Это меняет условия экранировки зарядов на мембранах и влияет на их проницаемость и условия диффузии ионов через мембраны.

Интенсивные микропотоки способны нарушать целостность клеточных мембран, через разрывы в которых частично или полностью вытекает содержимое клеток. Этот случай может рассматриваться как предельный случай изменения условий транспортировки веществ через клеточную мембрану при ультразвуковом воздействии.

При нагревании за счет перехода энергии ультразвука  в теплоту разность температур между  центром клетки и ее периферией при  интенсивности ультразвука Вт/см2 по расчетам составляет 10-3 К, а градиент температур - 2...5 град/см. Следовательно, в этих условиях оказывается возможным изменение скоростей потоков веществ в результате термодиффузионного переноса как внутри клетки, гак и через клеточную мембрану.

Потенциал Дебая (вибропотенциал), возникающий в суспензиях клеток и тканях под влиянием ультразвука, используемого в терапевтической практике, достигает 10 мВ, т. с. величин, сравнимых со значениями потенциалов клеточных мембран.

При кавитации, когда  интенсивность ультразвукового  излучения превышает 0,3 Вг/см2, на клеточные мембраны наряду с ударными волнами, энергичными микропотоками и потенциалами Дебая, могут влиять свободные радикалы, азотная и азотистая кислоты, а также перекись водорода.

Таким образом, изменение  проницаемости клеточных мембран - универсальная реакция на ультразвуковое воздействие, независимо от того, какой  из факторов ультразвука, действующих  на клетку, превалирует в том или ином случае.

Нарушение состава  внутриклеточной среды и микроокружения клетки не может не отразиться на скорости биохимических реакций с участием ферментов, весьма чувствительных к  содержанию в среде тех или  иных ионов, продуктов ферментативных реакций и некоторых других веществ.

Суммируя, можно  предложить следующий механизм действия ультразвука на клетки. Физико-химические ультразвуковые эффекты в среде (механические, тепловые, электрические, химические) —> нарушение микроокружения клеточных мембран (снижение градиентов концентраций различных веществ возле мембран, обратимая десорбция молекул с их поверхности, изменение мембранного потенциала, обратимое уменьшение вязкости внутриклеточной среды) —> изменение проницаемости клеточных мембран (ускорение диффузии, изменение эффективности активного транспорта, нарушение целостности мембран) —> нарушение состава внутри - и внеклеточной среды —> изменение скоростей ферментативных реакций в клетке (небольшая активация и преимущественное подавление ферментативных реакций в клетках вследствие изменения оптимальных для функционирования ферментов концентраций веществ) —> развитие репаративных реакций в клетке, связанных с синтезом других веществ (синтез РНК и новых ферментов, продуцируемых клеткой для компенсации возникшего недостатка в продуктах ферментативных реакций) —>...

Из анализа этой схемы - результата существенных упрощений - следует, что специфичным в действии ультразвука на биологические системы  является изменение микроокружения клеточных мембран, приводящее к  нарушению процессов переноса веществ  через мембраны. Дальнейшая цепочка процессов может быть инициирована и другими физико-химическими факторами, приводящими к аналогичным нарушениям, в частности, к увеличению проницаемости клеточных мембран.

ЗАКЛЮЧЕИЕ

Исследования механизмов биологического и лечебною действия ультразвука, разработка новых ультразвуковых методик для медицины, экспериментальной биологии, ветеринарии, биотехнологии и других областей народного хозяйства продолжаются.

Высокий коэффициент  поглощения ультразвука в воздухе, применение специальных конструкций и материалов для держателем ультразвуковых преобразователей сводят до минимума ультразвуковое воздействие на обслуживающий персонал, однако встречаются индивидуумы с повышенной чувствительностью. Они испытывают дискомфорт при интенсивностях ультразвука, используемых в диагностике, или «чувствуют» ультразвук, держась за рукоятку излучателя. Таких людей немного - два-три человека на каждые 10 тысяч, - но сам факт их существования свидетельствует о возможности влияния ультразвука весьма малых интенсивностей на организм. Не вызывая определенных ощущений во время воздействия, при длительном применении ультразвук низких интенсивностей может вызнать боли в суставах, повышенную утомляемость, изменения в организме, отражающиеся на электроэнцефалограммах в виде нарушения  -ритма, и т. д. Все изменения бесследно исчезают, если оператор в течение нескольких дней не имеет контакта с ультразвуковой аппаратурой.