Введение к работе
Актуальность темы
Функционирование большинства живых объектов неразрывно связано с нестационарными процессами переноса жидкостей и,в частости, крови. Кровеносная система позвоночных выполняет разнообразные функции, непосредственно связанные с физиологическим состоянием организма. Изучение структуры и параметров кровеносных потоков in vivo, их зависимости от внешних физических факторов, является сложной задачей биофизики. Она требует разработки специальных методов, с одной стороны, дающих количественную информацию в реальном времени эксперимента, а с другой - исключающих повреждения ткани живого организма и не вносящих изменений в поток.
Наиболее приемлемыми для подобных экспериментов являются оптические и, в том числе, лазерные методы исследования, в частности, лазерная доплеропская микроскопия (ЛДМ), основанная на регистрации доплеровских сдвигов частоты лазерного излучения, рассеянного движущимися частицами (эффект Доплера). Метод ЛДМ отличает быстрота получения информации (доли секунды), высокое пространственное разрешение (до 3 мкм), возможность количественных измерений скорости в процесе относительно нормальной жизнедеятельности организма.
Со времени первых измерений скорости кровотока, выполненных в 1972 году Маедой, Фуджиме и Ривой лазерные доплсровские измерители скорости стали применяться в различных областях биологии и медицины. Тем не менее до настоящего времени корректные измерения количественных характеристик пульсирующего кровотока в отдельных микрососудах і л vivo представляет собой сложную проблему. Вместе с тем существует большое число задач, в которых необходимо не только получать оценки среднего значения скорости, но и проводить мониторинг ее изменений в живом объекте в реальном времени. Это обстоятельство и мотивировало наши исследования.
Основная цель работы
Основной целью настоящей работы являлась отработка методики измерения и мониторинга методом ЛДМ параметров нестационарного кроы/гока в одиночных микрососудах биологических объектов, исследование основных тенденций их изменения вследствие действия на организмы животных (три вида костистых рыб, а также крыс) различных физических факторов, температура, свет, введение в кровеносную систему молекул полимера.
Основные задачи данной работы состояли в следующем:
-
Провести методические эксперименты по высоколокальным измерениям скоростей и профилей скоростей направленных потоков суспензии эритроцитов в гонких стеклянных капиллярах.
-
Разработать методику проведения экспериментов с биологическими объектами in vivo.
-
Получить доплсровские спектры н выполнить измерения динамики скоростей в аріериолах, нсііулах и капиллярах брыжейки крыс.
-
Изучить гемодинамическис последствия введения о систему кровообращения теплокровного животного высокомолекулярного линейного полимера.
-
Провести анализ доплсрокскнх Спектров от нестационарных потоков, крови в эмбрионах рыб с периодом пульсаций порядка 1 сек. : ' _
-
Исследовать'зависимость-средней скорости'кровоток»,в амбрщнах. и личинках различных видов рыб от фазы и;; развития.
7. Определить зависимости параметров кровотока от параметров светового облучения и изменения температуры окружающей среды.
Новизна работы
С помощью зиакочувствителыюго ЛД микроскопа получены профили скоростей
'течения суспензии эритроцитов в тонких капиллярах при высоколокальных
измерениях.
Разработаны оригинальные методики доплеровских измерений скорости и мониторинга кровотока в микрососудах биологических объектов.
Впервые ' методом ЛДМ проведены эксперименты по определению гидродинамических последствий введения высокомолекулярного линейного полимера в систему кровообращения крыс на уровне микрососудов брыжейки.
Впервые определены динамические характеристики кровотока в процессе онтогенеза трех видов рыб.
Впервые получены количественные данные о влиянии облучения эмбрионов рыб светом на иостэмбриональнос состояние кровеносных потоков.
Научная и практическая ценость работы связана со следующими основными результатами:
Показана эффективность применения метода ЛДМ для получения количественной информации о параметрах кровотока в отдельных микрососудах эмбрионов рыб и брыжейки крыс и о влиянии на кровоток внешних физических факторов.
С помощью ЛДМ с высоким пространственным и временным разрешением были зарегистрированы скорости кровотока в микрососудах теплокровного животного и впервые было 'установлено ее возрастание в артериолах под влиянием полиэтиленоксида, введенного в кровь.
Была исследована динамика кровотока эмбрионов трех видов рыб методом ЛДМ. Измерены скорости кровотока в течение первых семи дней с момента начала кровообращения и до времени перехода эмбрионов на внешнее питание.
Показано, что изменение скоростей кровеносных потоков в процессе развития эмбриона проходит несколько этапов, которые можно отделить один от другого
' по изменению скорости кровотока.
На стадии дробления облучение разными длинами воли приводит к различным
эффектам, чего не наблюдается при облучении на более поздних стадиях
развития. Облучение непосредственно области сердечной мышцы личинок рыб
синим светом приводит к кратковременному уменьшению частоты пульсаций,
тогда как при облучении другими длинами волн такого эффекта не наблюдается.
Положения, выносимые на защиту:
Разработанные методики проведения экспериментов позволяют с хорошей точностью регистрировать в реальном времени изменения скоростей кровеносных потоков в единичных микрососудах.
Результаты, полученные при измерении средних .скоростей кровотока в артериолах, капиллярах и венулах брыжеек крыс хорошо согласуются с литературными данными.
Данные, полученные при изучении влияния введения высокомолекулярного линейного полимера полиэтиленоксида в кровеносную систему, позволяют сделагь вывод о том, что данное вещество влияет на структуру потока и приводит о снижению резистивности артериол, тогда как существенных изменений кроиотока в канлилярах и венулах не наблюдается.
Проведенное сравнение доз, требующихся для достижения 20% увеличения скорости кровотока в артериолах (с параллельным уменьшением среднего артериального давления на 10%) в группах нормотензивпых и спонтанно гилертензивных крыс показало, что сравнимые с контрольными изменения параметров у последних наблюдаются при более коротком времсіні тдокиии и, следовательно, при дозах препарата почти в два раза меньших.
Предложенные алгоритмы экспериментов с эмбрионами и личинками костистых рыб позволяют получать воспроизводимые результаты при сравнительном изучении развития кровеносной системы и се отклика на внешние физические воздействия.
Различия, найденные в скоростях кровотока в процессе онтогенеза, отражают морфо-функциональные изменения в сердечно-сосудистой системе эмбрионов. И этом аспекте количественные характеристики потоков, полученные в наших экспериментах, связаны с реальными процессами, происходящими в организме. Изменения ритмической активности сердечной мышцы, имеющие одинаковые динамические характеристики у исследованных нами видов рыб, достоверны и отражают смену физиологических процессов в раннем онтогенезе.
Данные, полученные при сравнительном изучении характера действия лазерного излучения на развитие кронспосной системы, показывают, что облучение в течение 1, 2 или 3-х часов излучением Hc-Ne (Я=632.8 им, Р=8 мВт/см2 ) и Аг (А.=514.5 им, Р=8 мВт/см2 ) лазеров приводит к увеличению средней скорости кровотока и частоты пульсаций, тогда как такое же облучение в течение более чем 3-4-х часов приводит к неоднозначной реакции (в зависимости от стадии развития, во время которой проводилось облучение, от дня развития, ви-а рыб наблюдаются реакции либо дальнейшей стимуляции, либо ингибирования данных параметров кропотока). %
Апробация работы н публикации
Материалы диссертации опубликованы в 16-ти печатных работах и докладывались и обсуждались на 12-ти конференциях и семинарах: Российская молодежная, ассамблея "Молодежь и здоровье" (Саратов, 1992), 4-ой Международной конференции "Laser Applications in Life Sciences" (Еваскула, Финляндия, 1992), 6-й Международной конференции ECIS/European Colloid and Interface Society (Грац, Австрия, 1992), конференции "Quantification and Localization Using Diffuse Photons in a Highly Scattering Medium" (Будапешт, Венгрия, 1993), конференции "Cell and Biotissuc Optics" (Саратов, 1994), 3-ей международной конференции "Optics Within Life Science" (Токио, Япония, 1994), международных конференциях: "Static and Dynamic Light Scattering in Medicine and Biology" (Лос-Анжелес, США, 1993), "Optical Diagnostics of Blood and Blood Components" (Лос-Анжелес, США, 1994), международном симпозиуме BiOS Europe'94 (Лилль, Франция, 1994), "Biological Effects of Low-Energy Laser Irradiation" (Сан-Хосе, США, 1995), международной конференции ICONO'95 (Санкт-Петербург, 1995), конференции "Optical Diagnostics of Biological Fluids" (Сан-Хосе, США, 1996), конференции "Биомеханика'96. Теоретические аспекты морфогенеза" (Москва, 1996).