Введение к работе
Актуальность пео?-є..'.:н. Электрические свойства клеток, кле-очных органелл, субклеточных структур - есть один из фундамек-альных принципов функционирования биологических систем, Электра-еские характеристики клеток наряду с физико-химическими сзойст-а.'С1 окружающей клетки среды зо стогов определяют процессы взаи-одействпя клеток мегду собой и с окрукащей средой.
При решении многих теоретических п прикладных задач биоло-ни, медицины, микробиологии определяю;лпми являются процессы тра-спсрта веществ и ионов, энергетики клеток, реакции клеток на kcl'hhc фнзіжо-хтаяческпе воздействия. У елейное исследование этих роыессоз в значительней степени зависит от знания электрических арактеристпк клеток.
Первые работы по изучению электрических характеристик клеток заряда, электропроводности) проводились еще зо второй половине рошлого века. Начало систематического изучения заряда клеток от-осится к 1930 году. Позднее, в 60-е годы появились работы по ручекнй дії электрической проницаемости и электропроводности тка-ей, клеток v клеточных органелл. К началу 70-х годов был дости-нут определенный прогресс в изучении электрических характерне-ик клеток. Наибольиее число работ было посвящено клеточному эде-трофорезу ( Ambrose (Ed) Cell electrophoresis 1965 ; Shaw (Ed).
:icctrophoresis 1969 ). Физико-химические основы теории электрических характеристик дисперсных систем изложены в работах (Ду-ин, Шилов, IS72). По изучению других электрических характерис-ик клеток - диэлектрической проницаемости, электропроводности, оляризуемостн - были опубликованы немногочисленные работы разных второв: диэлектрическая проницаемость и электропроводность на сновании мостовых измерений ( Shwan , 1959), диэлектрическая рокицаемость методом даэлектрофореза (phol , 1966), электропро-одность методом электромагнитофореза (.КоЦл , 1958), поляризуе-:ость методом оптической регистрации электроориентации (Толстой др., 1966; Стоилов и др., 1968). Изучению нормы и патоюгпи ;леток крови на основе анализа заряда клеток были посвящены ра-оты (Чижевский, 1959; 1973; Харамоненко, Ракитянская, 1974),
Широкое развитие электрофизического анагшза клеток и его ис-ользование при решении биологических задач в начале 70-х годов ормозилось по нескольким причинам:
полным отсутствием коммерческих приборов, т.к» ни а одной стра- . е мира не выпускались соответствующие коммерческие приборы;
отсутствием биофизических принципов измерения электрических х; рактеристик клеток и трудностями при интерпретации экспериментальных результатов
отсутствием комплексных исследований различных электрических характернетак, которые позволяют полнее и точнее понять биологический смысл экспериментальных результатов.
Цель работы. Целью настоящего исследования явилось теоретическое и зкеперименгальное изучение электрических характеристик клеток и клеточных органелл: поверхностного заряда, диэпектрн-. ческой проницаемости, электропроводности, поляризуемости, разработка методов экспериментального измерения и количественного моделирования этих характеристик и применение электрофизического анализа клеток в биологии, медицине, микробиологии. Основные задачи исследования.
-
Разработка системы способов, устройств, методик для изш рения электрических характеристик клеток и препаративного разделения клеточных суспензий.
-
Экспериментальные измерения и количественное моделирование различных электрических характеристик. Построение электрофизической модели клетки и изучение частотной зависимости электрических характеристик клеточных структур и клеток в целом. Выяснение механизма поведения клеток в электрических полях.
-
Применение электрофизического анализа клеток при решении научных и прикладных задач биологии, медицины, микробиологии:
" - исследование взаимодействия антигенов с клеточной поверхностью при сенсибилизации эритроцитов;
- разработка биофизических принципов подготовки пробы крови и
проведение анализа нативных эритроцитов;
. - исследование функционального и морфологического состояния мито хондрий при их энергизации и деэнергизации; -.изучение изменения барьерных свойств мембран микроорганизмов под действием физико-химических факторов.
Научная новизна работы. Разработан электрофизический анализ клеток, основанный на комплексном измерении электрических характеристик клеток и интерпретации результатов в сочетании с электрофизическими моделями и в этом направлении проведено теоретичес кое и экспериментальное изучение заряда клеток, диэлектрической проницаемости, электропроводности, поляризуемости и показана эффективность применения такого анализа при решении задач биологии медицины, микробиологии.
. Разработана система способов, устройств, методик, защищенны
- 2.,."
2 авторский? свидетельства?., йредназначенных для измерения ъ,::- .
:трическлх характеристик клеток и препаративного разделения кле-
гачкых суспензий. Методы измерений и препаративного разделения
>азрабатыэадись с учетом биологической гетерогенности клеток и
зкенчивости параметров, нативных кяеток во времена и вод влиянл-
м внешних воздействий.
Построены электрофизические модели эритроцита и подобраны качения параметров модели, при которых теоретические кривые соответствуют экспериментальным. Построенные модели позволили опре-;елить электрические характеристики отдельных структурных эдемен-
03 без разрушения эритроцитов и связать физический и биологичес
ки смысл этих-характеристик. На основе разработанных моделей в
очетанпи с комплексными измерениями различных эяектричеоких ха
рактеристик предложен механизм явления переориентации эритроцита
тносительно вектора напряженности электрического поля.
Показана применимость электрофизического анализа для исспе-.ования разных видов клеток и клеточных органаяд и для исследова-ия разных специфических функций клеток и их связи с окружающей редой:
показано, что при взаимодействии эритроцитов .о антигенами про-сходит изменение электроповерхностных характеристик и анализ тих характеристик позволяет изучать механизм взаимодействия ан-игенов с клеточной поверхностью и определять отепень заполнения оверхноств антигенами;
разработаны биофизические принципы подготовка пробы крови и роведения электрофизического анализа нативных эритроцитов, что озволило выявить разницу во взаимодействии эритроцитов с перфтор-рганическими эмульсиями по сравнению с белково-солевыми раство-ами;
показано, что величина и изменение электрических характеристик итохондрий зависит от функционального и морфологического состоя-ия органеяи, комплексные измерения различных характеристик поз-олипо исследовать разные стороны процесса энергизации-деэнерги-ации митохондрий.
Практическое значение работы» Решение биологических задач а основании электрофизического анализа позволило решить приклад-ые задачи медицины и микробиологии:
разработаны способы повышения качества и понижения стоимости ромышленных медицинских препаратов - эритроцитарных диагности-умов, предназначенных для диагностики инфекционных и ряда неин-" экционных заболеваний. Повышение качества препаратов достигнуто .
..а. :'-
путем количественного контроля технологического процесса лроизвс: ства кг основе анализа электрических характеристик эритроцитоз; - изучено изменение барьерных свойств мембран клеток под действ: ем двзинфектантов, используемых для дезактивации микроорганизме^ при получении питьевой воды. Показано, что измерение электрических характеристик микроорганизмов позволяет оперативно подбирал деэикфвктанты и автоматизировать процесс получения литьевой ыдг
Устройства препаративного разделения биосуспензий элзктрофс рззом б свободном потоке буфера после испытаний в 1976-78 гг. в ЦНИИ гематологии и переливания крови дважды успешно сдавал:сь Межведомственным комиссиям - в IS78 г. на основе разделения форменных элементов крови и в 1980 г. на основе разделения бактериальных суспензий. По многочисленным просьбам в различные организации были переданы полученные результаты, проведены совместные исследования, оказано содействие в сборке установок и освоению методик измерений электрических характеристик клеток в том числі Ростовский медицинский институт, 1977 г.; Киевский институт врос лем онкологии,1979 г.; Бакинский Научный центр биологических исследований, 1580 г.; Ставропольский институт вакцин и сывороток, IS80 г.; Противочумный институт Кавказа и Закавказья, 1980 г.; Томский онкологический центр, IS8I г.; Ленинградский институт т дицинской лабораторной техники, 1981 г.; Ленинградский институт вакцин и сывороток, IS84 г.; Оренбургский медицинский институт, 1985 г»: Акты Межведомственных комиссий приведены в приложении і диссертации.
Апробация работы и публикации. Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на 17 Международном биофизическом конгрессе (Москва, 1972), Всесоюзной конференции "Физико-ма: магические и биологические проблемы действия электромагнитных пс лей и ионизации воздуха (Ялта, 1975), Всесоюзной конференции "Si зические методы и вопросы метрологии биомедицинских измерений" (Москва, 1976), Всесоюзном совещании с участием сотрудников Н/П Карл Цейсе Йена ГДР "Клеточный электрофорез в биологии и .медицине" (Пущино, 1979), I Всесоюзном биофизическом съезде (Москва, 1932),, Конференции памяти ак. Г.М.Франка (Пущино, 1984), У Международном совещании "Клеточный электрофорез, аппаратура и применения" (Росток, ГДР, 1984), на Международной школе "Электрома: нитные поля и биомембраны"(Плевен, НРБ, 1936) прочитана лекция "Электрические характеристики клеток в радиочастотном диапазоне' Международном совещакип"Физические методы характеризации биоло—
гических кж ток" (Росток, ГДР, 1988). В материалы совещания вкяю- -чей доклад "Электрофорез и элекгрссриентация: перспективы ж совместного использования для характеризадня клеток".
По теме диссертации опубликовано 44 работы, в том числе 2 монографии, 16 авторских свидетельств и 26 статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состой? из введения, пяти глав, заключения, основных результатов, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации 261 страница з том числе 46 рисунков и 14 таблиц. Список литературы содержит 319 ссылок на работы отечественных и зарубежных авторов. В приложения приведены Акты Межведомственных комиссий»