Введение к работе
Актуальность проблемы
Исследование биологических эффектов электромагнитного излучения (ЭМИ) крайне высоких частот (КВЧ) началось около 30 лет тому назад вслед за освоением этого диапазона частот в радиотехнике (направленная радиосвязь, мм-радио-локация и др.). Показано, что ЭМИ КВЧ может вызывать значимые изменения физиологического состояния живых объектов [Девятков и др., 1981; Adey, 1988; Grundler et al., 1992]. Интерес к биологическим эффектам ЭМИ КВЧ определяется несколькими обстоятельствами. С одной стороны, необходимостью разработки научно обоснованных безопасных норм для населения и технического персонала, работающего на установках, генерирующих ЭМИ [Акоев, 1983]. С другой стороны, методы микроволновой терапии интенсивно внедряются в медицинскую практику для лечения самых разнообразных заболеваний [Андреев и др., 1985; Девятков и др., 1981, 1991]. Медицинское применение КВЧ-облучения в основном строится на эмпирически полученных эффектах. Существует целый ряд интересных гипотез о возможности резонансного действия излучения на биологические системы {Девятков и др., 1991; Frolilich, 1988; Kaiser, 1995]. Однако проблема физико-химических механизмов нетеплового действия ЭМИ КВЧ на клетки и организм в целом остается открытой.
В течение последних лет достигнуты определенные успехи в исследовании механизмов действия ЭМИ КВЧ на биологические объекты различного уровня организации. Роль первичных мишеней ЭМИ могут выполнять клеточные мембраны [Девятков и др., 1991], преобразующие внешние электромагнитные колебания в управляющие сигналы. Показано резонансное изменение ионных токов через мембраны водоросли Nitellopsis [Катаев и др., 1993], изменение сродства каналообразующих белков к кальцию [Geletyuk et al., 1995]. Посредником действия ЭМИ КВЧ на биологический объект может являться водный раствор, например, контактирующий с внутриклеточной стороной ионных каналов [Fesenko et al., 1995]. Первичной мишенью ЭМИ может быть ДНК. Показано смещение резонансных частот излучения при изменении длины генома клеток E.coli [Belyaev et al., 1993]. Некоторые авторы отмечают важную роль ионов кальция в проявлении эффектов ЭМИ (Adey, 1988], излучение может влиять на осцилляции концентрации внутриклеточного свободного катьция [Walleczek, 1992]. Множественность первичных механизмов действия ЭМИ на живые объекты приводит к выводу о том, что независимо от природы сенсора, действие ЭМИ можно рассматривать на уровне систем внутриклеточной регуляции. Пути трансдукции внутриклеточных сигналов в живых системах, являющихся открытыми и нелинейными, могут оказаться чувствительными к воздействию слабых электромагнитных полей (ЭМП) [Kaiser, 1995].
Анализ имеющихся экспериментальных и теоретических данных указывает на необходимость решения следующих фундаментальных задач:
1) исследованию действия ЭМИ КВЧ на биологические объекты всегда должна предшествовать корректно выполненная дозиметрия излучения для конкретной излучающей системы и условий эксперимента; 2) к биотропным параметрам ЭМИ, кроме традиционных частоты, плотности потока поглощаемой объектом энергии и времени облучения (дозы), поляризации и модуляции ЭМИ, необходимо также отнести и структуру электромагнитного поля в плоскости объекта. Поле ближней и дальней зон излучения принципиально различны, следовательно, могут вызывать различный биологический эффект; 3) эффективно ли
действие ЭМИ КВЧ, модулированного частотами, близкими к характеристическим частотам колебательных ферментативных реакций в исследуемом пути внутриклеточной сигнализации.
Цель и основные задачи исследования
Цель настоящей работы заключалась в исследовании действия ЭМИ КВЧ на системы внутриклеточной регуляции клеток животных. В качестве объектов использовались одноклеточные организмы Paramecium caudatum и клетки иммунной системы - нейтрофилы. Были поставлены следующие задачи:
-
Провести тестирование излучателей мм-волн на предмет их согласования с питающим трактом, согласования излучения с объектом, распределения удельной поглощенной мощности в плоскости объекта и определить их пригодность для
-
Определить, существует ли разница в эффектах непрерывного ЭМИ КВЧ на продукцию активных форм кислорода нейтрофилами мыши при облучении клеток в ближней и дальней зонах используемого излучателя.
-
Исследовать влияние модулированного ЭМИ КВЧ на функциональные реакции одноклеточных простейших и нейтрофилов.
-
Провести анализ особенностей влияния модулированного ЭМИ КВЧ на пути трансдукции внутриклеточных сигналов.
Научная новизна и практическое значение работы
В результате тестирования различных излучающих систем показано, что рупорные и диэлектрические антенны малопригодны для исследования механизмов действия ЭМИ КВЧ на биологические объекты по крайней мере в ближней зоне излучения, поскольку неоднородность распределения удельной поглощенной мощности (УПМ) в плоскости облучаемого объекта оказывается неприемлемо большой. Разработан и эффективно использован излучатель миллиметровых волн на основе желобкового волновода, обеспечивающий однородность распределения УПМ как в ближней, так и в дальней зонах излучения.
При облучении нейтрофилов в ближней зоне желобкового излучателя обнаружено частотнозависимое ингибирование продукции активных форм кислорода клетками, активированными опсонизированным зимозаном. В дальней зоне желобкового излучателя частотная зависимость эффекта отсутствует, что указывает на принципиальную разницу во взаимодействии полей ближней и дальней зон с биологическим объектом.
Разработаны две перспективные модели для исследования действия излучения на клетки: "гиперполяризационная" модель парамеции и модель синергического действия кальциевого ионофора А23187 и форболового эфира на нейтрофилы мыши. Обнаружен эффект двойного резонанса на несущей и модулирующей частотах излучения в ингибировании двигательной активности парамеций. Эффект проявлялся только в узких полосах частот: около 42.25 ГГц по несущей частоте и около 0,095 Гц по частоте модуляции. Обнаружено ингибирование синергической реакции кальциевого ионофора и форболового эфира в активации респираторного взрыва перитонеальных нейтрофилов. При фиксированных значениях несущей частоты наблюдалась активация или ингибирование респираторного взрыва в зависимости от частоты модуляции излучения в диапазоне от 0.1 до 50 Гц.
Анализ полученных экспериментальных данных позволяет сделать вывод, что модулированное ЭМИ КВЧ влияет на кальций-зависимые системы внутриклеточной регуляции, эффект проявляется при наличии потоков ионов кальция через клеточную мембрану, проявление эффекта на строго фиксированных несущих и модулирующих частотах излучения указывает на действие ЭМИ на определен-
ные звенья трансдукции внутриклеточных сигналов. Конечный эффект может варьировать по величине и по направлению в зависимости от режима воздействия модулированного излучения, что показывает на возможность управления функциями живых клеток путем воздействия модулированным ЭМИ КВЧ.
Апробация работы
Основные результаты работы были предстаатены на II Международном конгрессе "Microwaves in Medicine 1993" (Rome, Italy, 11-14 October 1993), на 3(16) съезде Физиологического Общества при РАН (г.Пущино, 2-4 ноября 1993 г.), на научных фнференииях Института биофизики клетки РАН 1993 и 1995 гг. (г.Пущино), на Международном семинаре Европейского Биоэлектромагнитного Общества (г.Пущино, 15-18 мая 1995 г.), на III Международном конгрессе Европейского Биоэлектромагнитного Общества (ЕВЕА) (Nancy, France, 29 February-3 March 1996) и на Городской научной конференции молодых ученых (г.Пущино, 15-17 мая 1996 г.). По материалам диссертации опубликовано 5 статей.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, литературного обзора, описания материалов и методов исследования, результатов исследований и их обсуждения, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 168 ссылок. Работа изложена на 111 стр., содержит 24 рис. и 1 таблицу.