Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 11
1.1 Сано- и Патогенные воздействия электромагнитных полей на биологические системы 11
1.2 Математическое моделирование в медико-биологических исследованиях 31
ГЛАВА 2. Материалы и методы исследования 36
2.1 Методы исследования 36
2.2 Методы математической обработки результатов эксперимента 41
ГЛАВА 3. Результаты собственных исследований 46
3.1 Результаты морфологических исследований у крыс при воздействии импульсных электромагнитных полей частотой 3 Гц 46
3.2 Результаты исследования биохимических анализов у крыс при воздействии импульсных электромагнитных поле частотой 3 ГЦ 54
3.3 Результаты морфологических исследований у крыс при воздействии импульсных электромагнитных полей частотой 5 Гц 60
3.4 Результаты исследования биохимических анализов у крыс при воздействии импульсных электромагнитных поле частотой 5 Гц 61
3.5 Результаты морфологических исследований у крыс при воздействии импульсных электромагнитных полей частотой 8 Гц 65
3.6 Результаты исследования биохимических анализов у крыс при воздействии импульсных электромагнитных полей частотой 8 ГЦ з
ГЛАВА 4. Интерпретация собственных исследований при помощи математического аппарата 75
4.1 Формирование зависимостей между уровнями оксидантов и антиоксидантов при применении ИЭМИ различных частот 75
4.1.1 Корреляционный анализ 75
4.1.2 Регрессионный анализ 78
4.2 Математическое моделирование процессов СРО в экспериментальных группах. Построение систем дифференциальных уравнений 81
4.3 Формирование зависимостей между уровнями коагулянтов и антикоагулянтов при применении ИЭМИ различных частот 83
4.4 Формирование зависимостей между показателями уровня СРО и системы PACK при применении ИЭМИ различных частот 95
4.5. Формирование зависимостей между показателями уровня гормонов при применении ИЭМИ различных частот 106
Заключение 111
Выводы 113
Практические рекомендации 115
Список литературы
- Математическое моделирование в медико-биологических исследованиях
- Методы математической обработки результатов эксперимента
- Результаты исследования биохимических анализов у крыс при воздействии импульсных электромагнитных поле частотой 5 Гц
- Математическое моделирование процессов СРО в экспериментальных группах. Построение систем дифференциальных уравнений
Математическое моделирование в медико-биологических исследованиях
Следует подчеркнуть, что в условиях производства, работающие обычно подвергаются действию ЭМП радиочастот малой интенсивности. Изменения в организме под действием различных диапазонов радиоволн малой интенсивности имеют одинаковую направленность. Экспериментальные данные показывает особую чувствительность нервной системы, затем миокарда, дистрофические изменения в семенниках, угнетение процессов размножения, отставание в развитии животных, изменение иммунобиологических реакций организма. Наиболее заметные изменения отмечаются при действии микроволн (особенно сантиметрового диапазона), затем УКВ и коротких волн [4,52,54,107].
Повторное воздействие ЭМП дают кумулятивный эффект; ЭМИ СВЧ и КВЧ проявляют дезадаптирующее действие - нарушают ранее приобретённую устойчивость к различным неблагоприятным факторам, извращают некоторые важные приспособительные реакции, например, вызывают угнетение эритропоэза (вместо эритроцитоза) в условиях высокогорной гипоксии [131-133,141]
И, конечно же, отметим бурное развитие систем подвижной связи. С позиций электромагнитной экологии системы подвижной связи следует рассматривать как весьма проблемного «поставщика» электромагнитной энергии, во-первых, для окружающей среды. Количество базовых станций в городах исчисляется сотнями и даже тысячами. Тысяча базовых станций по 100 Вт каждая - это 100 кВт мощности электромагнитной энергии равномерно распределяемой по территориям, где находится человек. Еще порядка 100 кВт равномерно распределенной мощности - это один миллион радиотелефонных трубок. Количество этой мощности непрерывно увеличивается [54,57,6163,143]. В работах [114,21,34,49-52,61,143,150] показывают, что мы сейчас живём в условиях близких к «электромагнитной катастрофе» [62]. В современных условиях электромагнитной и магнитной загрязнённости окружающей среды, прежде всего, развиваются (стимулируются) патологии иммунной, нервной, репродуктивной, эндокринной, кроветворной и других систем организма человека, причём стойкие и зачастую необратимые изменения вызываются при периодическом воздействии ЭМП и МП малой интенсивности [49-52,141,143].
К биофизическим механизмам влияния постоянных, переменных импульсных МП различных частот и интенсивностей на организм человека можно отнести магнитную индукцию, возникающую при электродинамическом взаимодействии с подвижными электролитами. Поля в виде сил Лоренца оказывают влияние на движущиеся носителей ионных разрядов, образуя, таким образом, индуцированные электрические поля и токи. Такое взаимодействие является основой магнитной индуцированных потенциалов тока крови, а так же потенциалов, обеспечивающих ключи сенсорной направленности для некоторых видов организмов и рыб, что позволяет им хорошо ориентироваться в поле Земли. Экспериментально доказано, что переменные МП индуцируют точки Фарадея в живых тканях. Определённую роль могут играть магнитомеханические эффекты, к которым относится магнитоориентация и магнитомеханическая передача [29,130,135,142,143].
Специфика воздействия на организм человека в группах риска и для населения вращающихся (вихревых) ЭМП, ЭМИ с вращением плоскости поляризации (далее просто вращающихся ЭМИ) и ИЭМИ, является приоритетом исследований Тульской научной школы биофизики полей и излучения ( Е.И. Нефедов, А.А. Яшин, Т. И. Субботина) и Днепропетровской (Украина) школы КВЧ -терапии и магнитотерапии ( И. И. Соколовский Н.Е. Житник, В.В. Крысь и другие.) [34,126,128-133,145].
Принято считать, что ИЭМП не вызывает ионизации молекул и поэтому имеет еще одно название - неионизирующей радиации. В этой связи следует также отметить, что энергия кванта намного ниже энергии электронных переходов (1-20 эВ), энергии активации (0,2 эВ), колебательной энергии молекул (10(-2) - 10(-1) эВ), энергии водородных связей (2 10(-2) - 10(-1) эВ) и сравнима, например, с энергией вращения молекул внутри связей. Из приведенной энергетической оценки различных процессов следует, что ИЭМП может оказывать воздействие только на многоквантовые процессы. ИЭМП как физический фактор, действующий на биологические объекты, характеризуется несколькими биотропными параметрами: частотой и соответствующей ей длиной волны; интенсивностью, плотностью потока энергии или плотностью потока поглощенной энергии; направленностью, градиентом поля; поляризацией. В настоящее время на основе результатов дозиметрии и экспериментальных данных по биологическим эффектам ИЭМИ разработаны гигиенические нормативы для электромагнитных полей. Продолжают обсуждаться отдельные вопросы, касающиеся этих нормативов и, в частности, нормирование ИЭМИ, имеющих определенные особенности действия на биообъекты. Особенности биологического действия ИЭМП формулируется следующим образом [136,142,143,157].
1. Использование ИЭМП низкой интенсивности в клинической практике широко известно и применяется для лечения пациентов с разнообразными заболеваниями.
2. Биологические эффекты ИЭМП регистрируются при плотности потока излучения значительно ниже 10 мВт/кв.см. При такой низкой интенсивности излучения интегральный нагрев облучаемых объектов в эксперименте не превышает обычно 0,1 С. В этом смысле говорят о нетепловых эффектах [120].
3. Действие ИЭМП на биологические объекты имеет частотно-зависимый характер, то есть при действии излучения на объект изменения регистрируемого параметра проявляются лишь в узких интервалах частот ИЭМП.
Методы математической обработки результатов эксперимента
В крови животных по стандартным методикам исследовались показатели, отражающие состояние гуморальных факторов гемостаза и состояние свободно-радикальных процессов. Состояние гуморальных факторов гемостаза оценивалось по следующим показателям: время свертывания крови, время рекальцификации, концентрация фибриногена и растворимого фибрина, продукты деградации фибрина, концентрация гепарина, активность антитромбина III, активность плазмина, концентрация аг-макроглобулина, концентрация (Хі-антитрепсина. Уровень свободно-радикальных процессов оценивался на основании активности оксидантов и антиоксидантной защиты. В качестве исследуемых показателей определяли уровень гидроперекисей липидов, показатели коагулянтов, антикаогулянтов.
Метод определения гидроперекисей липидов в крови лабораторных животных. Определение содержания гидроперекисей липидов в плазме крови лабораторных крыс проводилось спектрографическим методом. Принцип метода состоит в следующем. К 0,2 мл плазмы добавляют 4 мл смеси гептан-изопропанол (1:1) и встряхивают 10-15 минут. Далее в пробирку добавляют 1 мл НС1 с рН 2,0 и 2 мл гептана, встряхивают и ждут 20-30 минут, после чего отбирают гептановый слой, в котором измеряют Д2зз. в контрольной пробе используют образец, содержащий вместо плазмы 0,2 мл воды.
Расчет производят по формуле: Д2зз на 1 мл плазмы = (Д233 V3) / Vn = 20 Д233 Где Дгзз - изменение значения оптической плотности V3 - конечный объем гептанового экстракта и Vn - 0,2 мл объема плазмы. Используется спектрофотометр СФ-20. В норме у крыс концентрация гидроперекисей липидов 1,3-1,5 ОЕ/мл. Метод определения малонового диальдегида.
Определение содержания малонового диальдегида в крови лабораторных грызунов проводили с помощью тиобарбитуровой кислоты. В соответствии с методикой, кровь 0,2 мл и 2,3 мл воды помещают в холодильную камеру при + 4С. после добавляют 1 мл 17% ТХУ и 1 мл 8% тиобарбитуровой кислоты, нагревают в кипящей бане 10 минут, центрифугируют 10 минут при 1500 об/мин и измеряют интенсивность окраски надосадочной жидкости на ФЭК-56М (длина волны 5325 нм, что соответствует светофильтру 6). Параллельно ставят контрольную пробу, которая содержит 0,2 мл плазмы, 3,3 мл воды и 1 мл ТХУ.
Определение общей активности плазмы крови проводилось по методике Бенисевич - Идельсон к 1 мл суспензии мембран эритроцитов. Из 100 мл крови отделяли эритроциты и после отмывания их от плазмы с добавлением равного объема 0,1 М фосфатного буфера рН 7,4 и 20-кратный объем гипотонического раствора СаСЬ - 0,025М. Суспензию тщательно встряхивают и оставляют на 30 минут при +4С. Осадок центрифугировали 10 минут при 3000 об/мин и 3 раза отмывали 10-кратным объемом фосфатного буфера 0,01М при рН 7,4 с последующим центрифугированием. Далее добавляют 0,02 мл исследуемой жидкости, перемешивают, вносят в кювету (20 мм) от ФЭК и облучают БУВ-15 в течении 30 минут на расстоянии 80-100 мм. В контрольной пробе вместо исследуемой жидкости вносят 0,02 мл физраствора. После облучения к пробам прибавляют по 1 мл 28% ТХУ, перемешивают и центрифугируют при 6000 об/мин. Центрифугат переносят в пробирку (280 70 мм), смешивают с 1 мл 0,8 раствора тиобарбитуровой кислоты и нагревают на водяной бане 15 мин. После охлаждения под струей холодной воды определяют экстинкцию опытной и контрольной проб против воды на спектрофотометре при длине волны 532 нм. Разница в оптической плотности между опытной и контрольной проб соответствует антиокислительной активности исследуемой жидкости.
АОА = 100 - (ОПО - ОПК) -100% АОА - антиокислительная активность, ОПО - оптическая плотность опыта, ОПК - оптическая плотность контроля. Величина АОА плазмы крысы -23-27%. 2.2 Методы математической обработки результатов эксперимента
Корреляционный и регрессионный анализ между базовыми лабораторными показателями свободно-радикального окисления и системы регуляции агрегатного состояния крови. Решение дифференциальных уравнений. Для математической обработки и анализа информации в работе использовались методы математической статистики, такие как корреляционный анализ, были построены математические модели, а также составлялись линии регрессии, которые позволяют предсказывать значения одного из показателей по ряду других показателей. По найденным уравнениям множественной регрессии были построены поверхности регрессии.
В работе был проведен корреляционный анализ, позволяющий установить сильную зависимость между показателями, отражающими активность коагулянтов и антикоагулянтов, и показателями ПОЛ. Вычислялся коэффициент корреляции, который служит мерой линейной взаимосвязи между двумя измеряемыми величинами. Он может принимать значения между +1 и -1. Если он равен нулю, то линейная связь между показателями х и у отсутствует. Если он равен +1 или -1, то связь строго линейная. В работе использовалась примерная шкала для коэффициента корреляции, позволяющая судить о тесноте связи между признаками. Если коэффициент корреляции принимал значения 0,5-=-0,6, то связь считалась средней; значение, меньше, чем 0,5, указывало на слабую связь и лишь при значении коэффициента корреляции, превышающего 0,7, можно было судить о сильной связи. Вычислялся коэффициент корреляции Пирсона по формуле:
Все показатели разбиты согласно классификации на свои группы (PACK, СРО, гормоны). Осуществлено построение прогнозных или трендовых моделей как внутри этих групп, так и между группами СРО и PACK. Все статистические расчеты выполнены раздельно на трех частотах, что позволило сформировать параметризованную математическую модель.
Сформирована последовательность выполнения расчетов и анализа результатов, на основе, которой будет проведена, построена математическая модель. Алгоритм данной последовательности для каждой исследуемой взаимосвязи следующий:
1. Расчет матрицы парных линейных коэффициентов корреляции в условиях нормального распределения показателей (или в условиях параметрического корреляционного анализа). Осуществление проверки достоверности полученных результатов на выбранном уровне значимости с использованием Т-критерия Стьюдента.
Каждый полученный коэффициент корреляции указывает на отсутствие или наличие тесноты взаимосвязи и ее направления (прямого или обратного). Эта информация затем обрабатывалась на следующем шаге.
2. Построение функциональных зависимостей с применением парного параметрического регрессионного анализа.
В некоторых случаях удалось применить нелинейный парный регрессионный анализ. При этом учитывались сильные корреляции (заметные, высокие, весьма высокие) согласно шкале Чеддока:
Результаты исследования биохимических анализов у крыс при воздействии импульсных электромагнитных поле частотой 5 Гц
У животных подвергшихся облучению 8 Гц. По сравнению с контрольной группой, не значительно увеличилось общая антиокислительная активность плазмы (с 25,0±0,40 до 26,9 ±0,99 %), активность каталазы (с 12,0±0,38 до 14,0±0,98 мкат/л) и не большое увеличение активности супероксиддисмутазы (с 2,35±0,17 до 2, 62±0,99 ОЕ/1 мг белка эритроц.) Данные результаты свидетельствуют о снижении активности антиоксидантных систем при воздействии ИЭМИ частотой 8 Гц. Приведена диаграмма, отражающая указанные выше изменения уровней антиоксидантов (рис. 34).
Изучение активности осей стресса и медиаторов у крыс, подвергшихся облучению частотой 8 Гц, позволило установить, что у облучённых крыс по сравнению с контрольной группой концентрация адреналина увеличилась с (1,8±0,17 до 3,02±1,00 нмоль/л) а концентрация норадреналина (с 4,20±0,13 до 5,64±0,98 нмоль/л). Это говорит об активации I оси стресса. Концентрация кортизона увеличилась (с 58,8±0,15 до 90,20±0,99 нмоль/л), что свидетельствует об активации II оси стресса. Концентрация медиатора серотонина так же увеличилось (с 0,42±0,22 до 0,60±0,96 мкг/л) На рис. 35 приведена диаграмма, отражающая указанные выше изменения. Под действием облучения животных частотой 8 Гц, произошла активация I и II осей стресса.
При воздействии ИЭМИ на 8 Гц, стресс на стадии резитентности. Стресс-реакция, под воздействием импульсным магнитным полем, вызывает угнетение общего состояния. В результате наблюдений выявлено, что на этой частоте у крыс повышается возбудимость, которая проявляется каннибализмом и высокой агрессивностью. Животные из этой группы вели себя очень агрессивно, уже ближе к концу первой неделе эксперимента. 510,0 540 30 J5JW 2V1B- 0 - %Ъ 90,0 4ВС 450,0420,0 / _J х12 0,0 150,0180,0 — Антн о кн ел нтел ь н ая а кти в н остъ плазмы, %-— Активность катал азы, м кат/лСупероксиддисмутаза, ОЕ/1 мг белка э ретро цнтаАнтн окислитель нал активность плазмы-контроль, %— —Активность катал азы-контроль, мкат/л—Ф— Супероксиддисмутаза-контроль, ОЕ/1 мг белка эретроцита
Диаграмма, отражающая уровень изменений средних значений активности стрессорных гормонов животных, подвергших облучению с частотой 8 Гц по сравнению с контрольной группой.
Формирование зависимостей между уровнями оксидантов и антиоксидантов при применении ИЭМИ различных частот Проведён сравнительный корреляционный анализ для показателей свободно-радикального окисления или СРО - показателями и для показателей системы PACK, полученных у всех экспериментальных животных, подвергшихся воздействию ИЭМИ на различных малых частотах (3Гц, 5Гц и 8 Гц). А также поставлена задача нахождения статистической взаимосвязи внутри группы стрессерных гормонов. 4.1.1 Корреляционный анализ
Проведен парный корреляционно - регрессионный анализ внутри группы для показателей свободно-радикального окисления (далее СРО-показателей), полученных у всех экспериментальных животных, подвергшихся воздействию ИЭМИ при частотах 3Гц, 5Гц и 8 Гц.
Результаты расчетов линейных коэффициентов корреляции сведены в следующих таблицах (Табл.3-5). Все коэффициенты корреляции в таблицах имеют уровень значимости р 0,01, который указывает на то, что вероятность ошибки не превосходит 1%. В таблицах 3-5 жирным шрифтом выделены те значения коэффициентов, которые соответствуют высокой и весьма высокой корреляции между показателями. Следует отметить, что наибольшей информативностью тесноты линейной связи обладает частота 5Гц.
Следует отметить, что наибольшая прямая линейная корреляция (0,95) наблюдалась между активностью каталазы и малоновым диальдегидом при частоте воздействия ИЭМИ, равной 5 Гц. Также следует отметить здесь весьма высокую обратную корреляцию между малоновой диальдегидом и антиокислительной активностью плазмы (-0,93), весьма высокую прямую корреляцию между активностью каталазы и антиокислительной активностью плазмы (0,9223). Следует отметить, что не найдено ни одной сильной линейной корреляции между показателями на частоте 8Гц.
Математическое моделирование процессов СРО в экспериментальных группах. Построение систем дифференциальных уравнений
Следует отметить, что наибольшая прямая линейная корреляция (0,95) наблюдалась между активностью каталазы и малоновым диальдегидом при частоте воздействия ИЭМИ, равной 5 Гц. Также следует отметить здесь весьма высокую обратную корреляцию между малоновой диальдегидом и антиокислительной активностью плазмы (-0,93), весьма высокую прямую корреляцию между активностью каталазы и антиокислительной активностью плазмы (0,9223). Следует отметить, что не найдено ни одной сильной линейной корреляции между показателями на частоте 8Гц.
Сравнительный анализ корреляции при различных частотах По итогам корреляционного анализа проведен сравнительный анализ коррелируемости показателей группы СРО при различных частотах, которым подвергались экспериментальных животные (Табл.7). Данные сгруппированы по подгруппам, между которыми найдена корреляция. Следует отметить, что наиболее информативной по отношению к коррелируемости показателей является частота 5 Гц. Именно на ней можно получать хорошие прогнозные модели между каждой парой показателей. Причем их высокая корреляция обуславливает выбор простых линейных регрессий для достижения хорошего прогноза данных. Таблица 7 Сравнительный частотный анализ линейной корреляции для показателей СРО, полученных у экспериментальных животных, подвергавшихся воздействию ИЭМИ при различных частотах Показатели Корреляция Оксиданты Антиоксиданты 3 Гц 5 Гц 8 Гц Гидроперекиси липидов АА плазмы -0,64 -0,80 Активность каталазы -0,15 -0,80 Супероксиддисмутаза -0,30 -0,69 0,23 Малоновой диальдегид АА плазмы -0,23 -0,93 Активность каталазы 0,18 -0,95 Супероксиддисмутаза 0,16 -0,80 0,32
Можно также отметить, что построение прогнозных моделей можно делать и для некоторых показателей при других частотах. Так при 3Гц можно построить линейную регрессию между показателями гидроперекиси липидов и антиокислительной активностью плазмы.
Согласно этой таблице, уравнение регрессии между антиокислительной активностью плазмы и супероксиддисмутазой при частоте ЗГц имеет вид (строка 1 таблицы):
ААтазмы= 8,1465 супероксиддисмутаза, -+- 4,6416 При проведении расчетов парной линейной регрессии проведена оценка значимости как самих коэффициентов регрессии (Т-критерий), так и значимость самого уравнения регрессии (F-критерий). Уровень значимости полученных моделейр 0.001.
Таким образом, анализируя представленные результаты, можно сказать, что между показателями оксидантов (гидроперекиси липидов, малоновой диальдегид) и антиоксидантов (антиокислительная активность плазмы, активность каталазы, супероксиддисмутаза) существует высокая линейная корреляция, что позволяет построить хорошие прогнозные (трендовые) регрессионные модели и далее построить математические модели в виде системы дифференциальных уравнений. где коэффициенты М1 и М2 в общем случае различны. 4.3 Формирование зависимостей между уровнями коагулянтов и антикоагулянтов при применении ИЭМИ различных частот Проведен парный корреляционно - регрессионный анализ внутри группы PACK, полученных у всех экспериментальных животных, подвергшихся воздействию ИЭМИ при частотах 3Гц, 5Гц и 8 Гц.
Результаты расчетов линейных коэффициентов корреляции сведены в следующих таблицах (Табл. 10-11). Все коэффициенты корреляции в таблицах имеют уровень значимости р 0,01. В таблицах 10-11 жирным шрифтом выделены те значения коэффициентов, которые соответствуют высокой и весьма высокой корреляции между показателями. Наибольшей информативностью тесноты линейной связи обладает частота 5Гц.
Коэффициенты корреляции для показателей СРО, полученных у экспериментальных животных, подвергавшихся воздействию ИЭМИ при частоте 8Гц Показатели 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Время рекальцификации (1) 1,00 0,55 - - 0,22 - - -0,22 -0,20 Концентрация фибриногена (2) 0,55 1,00 -0,20 0,34 -0,24 - -0,20 -0,32 -0,50 антитрипсин (9) 0,20 -0,50 0,32 -0,13 - 0,59 -0,19 - 1,00 Следует отметить, что наибольшая прямая линейная корреляция (0,93) наблюдалась между концентрацией гепарина и активность плазмина при частоте воздействия ИЭМИ, равной 5 Гц. Также следует отметить здесь весьма высокую обратную корреляцию между концентрацией гепарина и а2 -макроглабулин (-0,95). Следует отметить, что также не найдено ни одной сильной линейной корреляции между показателями на частоте 8Гц.
