Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Влияние магнитных полей на биологические объекты и кровь как объект приложения магнитного поля 9
1.1 Дыхательная функция крови и гемоглобин как переносчик кислорода 9
1.2 Реакции биологических систем на магнитные поля 19
1.2.1 Обзор возможных механизмов влияния магнитных полей на биологические объекты 21
1.2.2 Влияние магнитных полей на систему кровообращения и непосредственно на кровь 31
1.2.3 Связывание кислорода кровью и гипоксические состояния как объект применения магнитных полей 33
ГЛАВА 2 Исследование влияния магнитного поля на оксигенацию крови 38
2.1 Влияние магнитного поля на гипоксические состояния живого организма 38
2.2 Изучение действия магнитного поля на кровь in vitro 54
2.3 Гипотеза о возможном механизме явления 60
ГЛАВА 3 Контроль оксигенации крови и скорости оседания эритроцитов методом ЯМР 63
3.1 Методы контроля степени насыщения гемоглобина кислородом 63
3.1.1 Газохроматографический метод определения насыщения крови кислородом 64
3.1.2 Магнитометрические методы 66
3.1.3 Спектральные методы 67
3.1.4 Электрохимические методы 72
3.2 Контроль параметров крови методом ядерного магнитного резонанса 76
3.2.1 Основные принципы и возможности использования ЯМР для анализа параметров биологической жидкости 76
3.2.2 Наблюдение аллотропического перехода гемоглобина в магнитном поле 80
3.2.3 Зависимость сигнала ЯМР от некоторых параметров крови 88
3.2.3.1 Контроль степени насыщения крови кислородом 88
3.2.3.2 Метод наблюдения скорости оседания эритроцитов 95
ВЫВОДЫ 97
ЛИТЕРАТУРА 98
- Дыхательная функция крови и гемоглобин как переносчик кислорода
- Влияние магнитного поля на гипоксические состояния живого организма
- Методы контроля степени насыщения гемоглобина кислородом
Введение к работе
В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с разными физическими факторами, в том числе и техногенной природы, влияющими на здоровье человека. Это влияние чаще всего является негативным по своим последствиям. В настоящее время все больше появляется объектов, испускающих электромагнитные волны, поэтому особый интерес среди прочих факторов внешней среды, действующих на организм, представляют магнитные поля различной природы.
Магнитные поля все шире внедряются в нашу жизнь, оказывая самое разнообразное действие на здоровье человека в зависимости от интенсивности поля и времени пребывания в нем. Вспомним хотя бы действие изменений магнитной активности Солнца на состояние людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Также существуют данные о взаимосвязи между самочувствием аналогичных больных и изменениями геомагнитных полей. Но все это касается природного магнетизма, тогда как ежедневно каждый человек подвержен действию магнитных полей различных бытовых приборов и промышленного оборудования. Постоянное воздействие на организм этих полей часто оказывает негативное влияние на иммунную систему, ЦНС, систему кровообращения и другие жизненно важные функции организма.
В то же время, направленное применение магнитных полей может оказаться жизненно необходимым, например, при лечении аневризм сосудов головного мозга, ЯМР-томографии и в некоторых других случаях. Сами живые объекты, в том числе и человек, обладают и собственными магнитными полями. Это свойство используется, например, при проведении магнитокардиографии и магнитоэнцефалографии. В медицинской биотехнологии ведутся исследования применения магнитных полей для изменения некоторых параметров метаболизма. Большая часть современных исследований в электромагнитной биологии включает в себя изучение
биологического действия усиленных по сравнению с естественными магнитных полей. Эти многочисленные сведения можно разделить на области, где изучается силовое и индукционное действие магнитных полей, а также комбинированное, или биотропное, действие электромагнитных полей. В последнем случае речь идет об эффектах, физический механизм которых еще до конца не ясен.
Силовое действие магнитных полей используется при удалении из организма ферромагнитных частиц, при магнитном транспорте лекарств, при скреплении различных участков живой ткани. Это направление иногда не учитывает возможность биологического действия магнитных полей, хотя такая возможность существует. Индукционное действие поля применяется при бесконтактном раздражении возбудимых тканей (нервной и мышечной), а также при лечении аневризм головного мозга. В медицинской практике для лечения широко используются низкочастотные электромагнитные поля. Интерес к магнитотерапии во всем мире возрастает, о чем свидетельствует рост числа публикаций по этому вопросу, а также рост числа разработок аппаратов и устройств для магнитотерапии.
Магнитные поля действуют на все органы и ткани организма. Влияние магнитных полей на целостный организм часто оказывается вредно и разнонаправленно для разных систем органов и тканей. Существует много исследований, связанных с действием полей на кровь. Это связано с тем, что кровь, как универсальная жидкая ткань очень легко выделяется из организма, поэтому ее проще исследовать как in vivo, так и in vitro. Одной из характерных особенностей крови является наличие в ней дыхательного пигмента гемоглобина, а стало быть, способность обратимо связывать и переносить кислород от легких к органам и тканям.
Проблема кислородного голодания организма, т. е. проблема гипоксии имеет огромное значение и в клинике, и в практической физиологии человека. Существуют данные об антигипоксическом влиянии магнитных полей. В то же время некоторыми исследователями, наоборот, отмечается
однонаправленное влияние на системы организма гипоксии и магнитного поля. Проблема насыщения крови кислородом при выключенном внешнем дыхании особенно остро стоит в хирургической практике. Кроме того, требуется иногда повысить кислородсвязывающую способность гемоглобина с целью временной активизации газообмена, например в ситуациях, когда организм вынужден испытывать тяжелые перегрузки. Поэтому желательно разобраться в механизме явления для широкого внедрения магнитных полей в практику терапии гипоксических состояний.
В то же время, параметры крови, а в частности, степень насыщения ее кислородом необходимо контролировать. Особенно важен этот контроль в кардиохирургии. Современные газоанализаторы в основном требуют взятия проб, то есть не удается осуществлять непрерывный контроль параметров крови во время хирургических операций. Существующие бесконтактные оптические методы анализа насыщения крови кислородом используются лишь в экспресс-анализе, так как они не очень точны. Поскольку с помощью метода ядерного магнитного резонанса возможно осуществлять контроль параметров движущихся жидкостей, а, в частности, крови в экстракорпоральном контуре обращения, то представляет интерес применение именно метода ЯМР для контроля степени насыщения крови кислородом, а также некоторых других ее параметров непосредственно во время операции.
Целью работы является изучение механизма действия постоянного магнитного поля на кровь, определение оптимальных параметров воздействия для достижения максимального эффекта антигипоксического влияния постоянного магнитного поля на кровь in vitro, разработка метода контроля параметров крови с использованием ЯМР. Для достижения этой цели были решены следующие задачи:
анализ существующих клинических данных применения магнитных полей при гипоксии,
анализ наиболее часто упоминаемых в литературе предположительных механизмов действия магнитных полей на биообъекты,
исследование зависимости насыщения крови кислородом от ее пребывания в магнитном поле,
выдвижение гипотетического механизма влияния магнитного поля на оксигенацию крови,
исследование зависимости сигнала спинового эха протонов крови от степени ее насыщения кислородом,
исследование зависимости сигнала спинового эха протонов крови от скорости оседания эритроцитов.
Научная новизна работы состоит в том, что исследовано влияние постоянного магнитного поля на дыхательную функцию крови и установлен антигипоксический характер этого влияния. Были определены параметры магнитного поля, применимые для достижения антигипоксического эффекта. Кроме того, установлена зависимость сигнала спинового эха протонов крови от степени насыщения ее кислородом и от скорости оседания эритроцитов. Показан линейный характер этой зависимости.
Практическая ценность работы заключается в том, что
предложен метод анализа скорости осаждения эритроцитов и насыщения крови кислородом с помощью ЯМР,
предложен способ повышения кислородсвязывающей способности гемоглобина при хирургических операциях,
выдвинута гипотеза о влиянии магнитного поля на гемоглобин.
Предложенный метод анализа степени насыщения крови кислородом и скорости оседания эритроцитов может быть в дальнейшем использован для разработки автоматизированного экспресс-метода контроля в образцах крови, в системах искусственного кровообращения и в сосудах живого организма при помощи спин-эхо аппаратуры или томографии.
Способ повышения кислородсвязывающей способности крови может быть применен в хирургической практике для повышения устойчивости
организма к гипоксии и дополнительной оксигенации биологической жидкости.
Теме работы посвящены две публикации. Результаты работы доложены на 3-ей научно-технической конференции аспирантов СПбГТИ(ТУ) (2000, Санкт-Петербург) и на 51-й международной конференции по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (2001, Саров). В печати журнала «Медтехника» находится одна статья. Работа выполнена в соответствии с программой конкурсного центра фундаментального естествознания «Исследование сигнала спинового эха в однородном внешнем поле» Е02-3.5-129. Лабораторные испытания результатов исследования проведены в Военно-медицинской Академии.
На защиту выносятся:
результаты экспериментальных исследований влияния магнитного поля на газотранспортную функцию крови;
способ повышения кислородной емкости гемоглобина при обработке крови постоянным магнитным полем определенных параметров;
результаты исследования зависимости параметров сигнала ЯМР протонов крови от степени насыщения ее кислородом и от скорости оседания эритроцитов;
способ анализа степени оксигенации крови, основанный на зависимости сигнала спинового эха протонов крови от названного параметра;
способ определения скорости оседания эритроцитов на основании параметров сигнала спинового эха протонов крови.
Дыхательная функция крови и гемоглобин как переносчик кислорода
Процессы обмена веществ во всех клетках требуют непрерывной доставки организму питания и кислорода и непрерывного удаления продуктов обмена. У человека и животных выработалась внутренняя система транспортировки - система кровообращения.
Многие исследования, касающиеся взаимоотношений между клетками и непосредственно окружающей их средой, были проведены на крови, т. к. эту ткань легко выделить из организма при помощи иглы и шприца. При осторожном взятии крови клетки ее не повреждаются и их можно изучать в их нормальном состоянии [1].
У человека форменные элементы, то есть клетки крови (эритроциты, лейкоциты, тромбоциты), составляют около 46% объема крови, остальное -плазма. Плазма содержит белки, соли, углеводы, липиды, промежуточные продукты обмена веществ, гормоны, витамины, растворенные газы.
Основными функциями крови являются: транспортная, в зависимости от переносимых веществ - дыхательная, питательная и экскреторная функции; поддержание водного баланса тканей; регуляция температуры тела; защитная роль, связанная в основном с сывороточными белками -антителами и ферментами; регуляторная, то есть кровь переносит вещества, регулирующие деятельность ряда органов.
Остановимся подробнее на дыхательной функции крови, т. е. на способности переносить кислород от легких к тканям и отводить от тканей С02. Принудительная вентиляция и циркуляция - универсальный принцип дыхания высших организмов. За счет физического растворения каждый литр крови, протекающий через легкие, поглощает 3 мл кислорода, но человеку необходимо потреблять 200 мл 02 на 1 кг веса, т. е. дыхательная функция не могла бы осуществляться только за счет физически растворенного кислорода. Гемоглобин - дыхательный пигмент, повышающий способность крови растворять и переносить кислород. Гемоглобин - основной компонент эритроцитов - красных кровяных телец. Эритроциты имеют форму двояко вогнутых дисков и лишены ядра в отличие от большинства клеток. Диаметр эритроцита млекопитающих - 2.1 -9.2 мкм. У человека - 7 - 8 мкм. Содержимое эритроцита - жидкая гидрофильная система, в которой дисперсная фаза - гемоглобин и соли, связывающие около 40% воды. Концентрация гемоглобина в эритроцитах млекопитающих и человека 30 - 40%. Электрокинетический заряд эритроцита человека, измеренный микроэлектрофорезом - 16-20 мВ [2]. Каждый эритроцит содержит около 300 млн. молекул гемоглобина. Кислород, переносимый гемоглобином, поступает в ткани, где он быстро расходуется на окисление субстратов. Движение кислорода происходит по направлению градиента давления (р02) в результате обычной диффузии. В легких кислород присоединяется к восстановленному гемоглобину. Образование оксигемоглобина сопровождается освобождением протонов, вследствие чего их концентрация в эритроцитах возрастает. Ионы Н+ реагируют с бикарбонатом с образованием угольной кислоты, которая быстро разлагается на С02 и Нг О. Оба эти вещества свободно диффундируют в плазму. С02 переходит в альвеолы и выдыхается [3, 4].
Влияние магнитного поля на гипоксические состояния живого организма
При испытаниях расходомера крови, основанного на явлении ядерного магнитного резонанса, было замечено, что пропускание крови собаки через магнитную систему расходомера, включенную в экстракорпоральный контур, влияет на процесс нарастания гипоксии.
Опыт проводился следующим образом: собака в состоянии наркоза переводилась на управляемую искусственную вентиляцию легких (ИВЛ). Магнитная система расходомера, представляющая собой участок трубопровода, помещенный в магнитное поле с индукцией 0,5 Тл, включалась последовательно с роликовым насосом в венозный шунт между яремной и бедренной венами.
После стабилизации состояния собаки и отбора проб крови для определения исходных значений параметров S0 , р0 , рсо дыхание прерывалось и определялось время t с момента прекращения дыхания до момента, когда артериальное давление после кратковременного гипоксемического подъема начинало падать. С этого момента периодически отбирались пробы для определения параметров S0 , р0 , рсо .
Вначале опыт проводился при выключенном насосе (без магнитной обработки), затем дыхание возобновлялось и состояние собаки полностью восстанавливалось. После восстановления включался насос и проводилась магнитная обработка крови. Затем отбирались пробы крови для определения исходных значений параметров S0 , р0 , рсо , дыхание прерывалось и вновь измерялось время /. Оказалось, что время / после магнитной обработки заметно превышает время t без магнитной обработки, особенно, если в обоих опытах непосредственно перед прекращением дыхания в легкие в течение 2-3-х минут подавать кислород.
Из приведенных зависимостей видно, что вызванное отсутствием дыхания уменьшение значений показателей крови SQ и р0 после магнитной обработки идет значительно медленнее, чем без обработки. Следующий опыт проводился с применением перфузионного контура: мембранного оксигенатора, включенного последовательно с роликовым насосом в вено-венозный шунт между яремной и бедренной венами, объемная скорость кровотока через шунт составляет 30% МОК-минутного объема крови.
Собака в состоянии наркоза переводилась на ИВЛ воздухом. После стабилизации состояния собаки и отбора проб артериальной и венозной крови для определения исходных значений показателей SQ , pQ и рсо ИВЛ прекращалась, в оксигенатор подавался кислород и начиналось постепенное нарастание гипоксии. При этом через каждые 3 минуты отбирались пробы для определения изменений показателей крови. После достижения достаточной степени гипоксии включалась ИВЛ, в оксигенатор переставали подавать кислород, производилось восстановление собаки. Затем процедура повторялась: дыхание вновь отключалось, в оксигенатор начинали подавать кислород, но при этом на кровяную магистраль в районе оксигенатора накладывалось поле. Полученные результаты приведены в таблице 2.
Методы контроля степени насыщения гемоглобина кислородом
Кислород находится в крови в химически связанном и физически растворенном состоянии. Количество кислорода, находящегося в связи с гемоглобином в 100 мл полностью насыщенной крови, является мерой кислородной емкости крови и определяется количеством гемоглобина. Для определения кислородной емкости надо насытить кровь кислородом при определенной температуре, измерить содержание общего, т. е. связанного плюс свободного кислорода, и вычесть из этой величины количество свободно растворенного кислорода, рассчитанное на основании данных по растворимости.
Таким образом, в крови по отношению к кислороду существуют следующие параметры: напряжение кислорода или его парциальное давление (Ро2, мм рт. ст.), содержание общего, связанного и свободного кислорода (об.%), кислородная емкость крови (об.%), содержание гемоглобина (г/100мл) и степень насыщения крови кислородом
Существует много методов определения насыщения крови кислородом, но некоторые из них применимы только в лабораторных условиях. К таким методам относятся газохроматографический и магнитометрический. Наиболее точным является манометрический метод, по нему осуществляется калибровка приборов. Самые распространенные в клинической практике - оптический и полярографический методы определения степени насыщения крови кислородом.
Метод манометрического определения содержания газов крови разработан Сеченовым и Ван-Слайком [129, 130]. Этот метод позволяет учитывать как кислород растворенный в плазме, так и связанный с гемоглобином крови. Погрешность метода составляет менее 1%, т. е. точность измерений очень высока, однако, этот анализ очень трудоемок, сложен, длителен во времени (до двух часов одна проба) и требует максимальной чистоты прибора и реактивов, а также высокой квалификации лаборанта. Кроме того, в приборе используется ртуть, что уже само по себе вредно.
