Содержание к диссертации
Введение
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 9
1.1 Биофизические параметры воздействия электромагнитного поля 9
1.2 Физиологические механизмы воздействия электромагнитного поля на биообъекты 12
1.3 Системный отклик биообъекта на воздействие инфранизкочастотного электромагнитного поля 30
1.4 Физиотерапевтические аспекты воздействия ЭМП на опухолевые ткани 37
2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 44
2.1 Обоснование способа и режимов воздействия 44
2.2 Описание магнитотерапевтической установки 48
2.3 Объекты воздействия, методики исследования и контроля 55
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 62
3.1 Характеристика системных откликов на воздействие ЭМП по результатам клинико-лабораторных исследований 62
3.1.1 Характеристика системных откликов у собак с доброкачественными новообразованиями молочных желёз 62
3.1.2 Характеристика показателей системных откликов у собак со спонтанными злокачественными новообразованиями молочных желёз 66
3.2 Морфологическая характеристика новообразований при воздействии ЭМП в динамике 69
3.2.1 Макроописание внешних изменений новообразований в период воздействия 69
3.2.2 Характеристика гистологических препаратов доброкачественных и злокачественных новообразований до и после курса воздействия ЭМП 70
3.2.3 Показатели структурных компонентов спонтанных доброкачественных и злокачественных новообразований молочных желёз собак до и после курса воздействия ЭМП 72
3.2.4 Характеристика структурных компонентов спонтанных доброкачественных новообразований молочных желёз собак после курса воздействия ЭМП 78
3.2.5 Характеристика структурных компонентов спонтанных злокачественных новообразований молочных желёз собак после курса воздействия ЭМП 82
3.2.6 Характеристика структурных компонентов злокачественной опухоли молочной железы после химиотерапии и мягкотканойопухоли после магнитотерапии 86
4 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 90
4.1 Экологическая значимость воздействий инфранизкочастотных ЭМП на биологические объекты 90
4.2 Обсуждение результатов исследований системных откликов 91
4.3 Обсуждение результатов морфологических исследований 100
ВЫВОДЫ 108
ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ 110
ЛИТЕРАТУРА 111
- Физиологические механизмы воздействия электромагнитного поля на биообъекты
- Описание магнитотерапевтической установки
- Характеристика показателей системных откликов у собак со спонтанными злокачественными новообразованиями молочных желёз
Введение к работе
1.1 Актуальность проблемы
Актуальность проблемы обусловлена экологической и физиологической значимостью воздействия электромагнитных полей (ЭМП) на биологические объекты. В последние десятилетия сложилась совершенно новая экологическая ситуация, обусловленная увеличением антропогенной нагрузки ЭМП на биосистемы, превосходящей на несколько порядков природную. Это обусловлено массовым использованием высокочастотных излучателей, в том числе импульсных и с инфранизкочастотной модуляцией. Инфранизкоча-стотный диапазон соответствует геомагнитному полю Земли. В нём сосредоточены основные биоритмы и собственные частоты системных и клеточных уровней биообъектов. Их отклик на воздействие инфранизкочастотных ЭМП имеет резонансный характер. При частотах менее 1 кГц электрическая составляющая поля не проникает внутрь клетки. В то же время биообъекты прозрачны для магнитного поля.
В настоящее время значительная часть биосистем находится в условиях интенсивно усиливающегося техногенного электромагнитного смога. В 2000 г. Всемирная организация здравоохранения приняла предупредительную концепцию при оценке рисков воздействия ЭМП. Во многих странах реализуются международные и национальные программы соответствующих исследований. Выполняемые в рамках российских программ, исследования, выявили изменения в иммунологических и морфологических показателях у ряда групп млекопитающих, обусловленных длительным воздействием ЭМП. Хронические воздействия могут повлечь необратимые изменения в экосистемах. Такому воздействию в первую очередь подвергаются элементы экосистем на территориях жизнедеятельности человека: домашние животные, природные компоненты флоры и фауны, почвенные микроорганизмы. Ре-
5 зультаты исследований о возможных последствиях влияния интенсивных инфранизкочастотных ЭМП на биосистемы носят противоречивый характер.
Первичным объектом воздействия ЭМП на биосистему является клетка, включая субклеточные компоненты. Функциональный отклик клетки на воздействие ЭМП проявляется в изменении её гомеостаза, интенсивности метаболических процессов и клеточного дыхания. Воздействие классифицируют как адекватное, если оно усиливает процессы метаболизма и клеточной биоэнергетики, не адекватное — при их угнетении. Адекватное воздействие широко используется в физиотерапии. Следует иметь ввиду фазный характер воздействия ЭМП, с возможным переходом от адекватного к не адекватному, при увеличении дозы. Неадекватные условия воздействий ЭМП многопара-метричны, их последствия зависят от интенсивности, частотных характеристик, режимов и экспозиции облучения. Однако эти аспекты последствий воздействия мало исследованы. Можно предположить, что при соответствующих интенсивностях резонансные воздействия могут избирательно вызывать необратимые морфологические изменения тканей.
В настоящей работе в качестве модельного объекта рассматривались интенсивно делящиеся клетки тканей доброкачественных и злокачественных новооброзований молочных желёз собак. Выбор модели обусловлен так же значимостью проблемы онкопатологии молочной железы у людей и животных.
Клетки опухолевых тканей по ряду функциональных и морфологических признаков отличаются от здоровых. В силу этого, воздействие малыми интенсивностями импульсного инфранизкочастотного ЭМП (ИИ ЭМП) на опухоли приводит к стимуляция их роста. При этом, значимых изменений в здоровых тканях не регистрируется. Это обстоятельство допускает принципиальную возможность избирательно влиять на функциональное и морфологическое состояние новооброзований и использовать данные исследования в виде модели для изучения влияния техногенного воздействия на биологиче-
ские ткани. Исследования в этом направлении носят единичный характер, однако их результаты являются обнадёживающими.
Исследования интенсивных воздействий ИИ ЭМП на биообъекты значимы по крайне мере по двум причинам:
в связи с необходимостью учёта их возможных последствий в техногенных условиях;
в связи с возможностью прямого терапевтического применения, в том числе и при лечении онкопатологий.
Проблема системного отклика организма на локальное воздействие интенсивного ИИ ЭМП представляет как научный, так и практический интерес. Соответствующая информация может быть получена по данным клини-ко-лабораторных исследований биологических объектов, в том числе мелких домашних животных.
1.2 Цель
Изучить действие локальных интенсивных знакопеременных импульсных инфранизкочастотных ЭМП на животных со спонтанными новообразованиями молочных желёз. Разработать и реализовать способ избирательного воздействия на опухолевые ткани, вызывающего подавление роста и необратимые морфологические изменения в них (некроз).
1.3 Задачи исследования
Обосновать экологическую значимость использованных воздействий ин-франизкочастотного ЭМП на биообъекты;
Разработать способ избирательного воздействия ИИ ЭМП на клетки, находящиеся в стадии интенсивного деления;
Оценить системные отклики организма животных на локальное воздействие ИИ ЭМП.
7 4. Изучить условия дифференцированного воздействия ИИ ЭМП на здоровые и опухолевые ткани у животных.
1.4 Научная новизна
Впервые установлены параметры воздействия ИИ ЭМП на биологические объекты, вызывающие подавление митоза интенсивно делящихся клеток; выявлена избирательность воздействия ИИ ЭМП на опухолевые ткани.
Показана возможность лечения доброкачественных и злокачественных новообразований молочных желёз у собак с помощью ИИ ЭМП при установленных параметрах.
1.5 Практическая значимость
Разработан и апробирован способ избирательного воздействия импульсного инфранизкочастотного ЭМП, на интенсивно делящиеся клетки, приводящий к подавлению митотической активности и развитию некрозов. Полученные результаты дают предпосылки использовать ИИ ЭМП в терапии злокачественных новообразований у животных.
Результаты исследований используются в учебном процессе для студентов специальности «Ветеринария».
Выявленное подавление митотической активности интенсивно делящихся клеток ИИ ЭМП является значимым для разработки нормативов их техногенного воздействия.
На основе полученных результатов исследований разработаны научно-практические рекомендации «Использование импульсного инфранизкочастотного ЭМП в онкологической практике у животных» (г.Екатеринбург, 2006г.).
1.6 Основные положения, выносимые на защиту:
Экологическая характеристика ИИ ЭМП и воздействие интенсивного ИИ ЭМП на биологические объекты, находящиеся в стадии развития.
Знакопеременное ИИ ЭМП при интенсивных воздействиях подавляет митотическую активность клеток, находящихся в стадии деления и оказывает избирательное воздействие на опухолевые ткани.
Локальное воздействие импульсного знакопеременного инфранизкоча-стотного ЭМП при используемых параметрах приводят к изменениям клинико-лабораторных показателей у животных.
1.7 Апробация работы
Результаты исследований доложены и обсуждены на XI Международном экологическом симпозиуме "Урал атомный. Урал промышленный" (г. Екатеринбург, 2004г., 2005г.), II Международной конференции "Семипалатинский испытательный полигон. Радиационное наследие и проблема нераспространения" (Республика Казахстан, г. Курчатов, 2005г.), XVII Свердловской областной конференции онкологов (г. Екатеринбург, 2005г.), III Международном симпозиуме "Хроническое радиационное воздействие: меди-кобиологические эффекты." (г. Челябинск, 2005г.), Международной конференции "Научные основы профилактики и лечения болезней животных" (г. Екатеринбург)
1.8 Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 7 сборниках научных трудов и конференций.
9 1.9 Объём и структура диссертации
Диссертация изложена на 124 страницах машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, собственных исследований, обсуждения полученных результатов, выводов, списка литературы, включающего 126 источников отечественных и зарубежных авторов. Работа иллюстрирована 26 таблицами, 33 рисунками.
Физиологические механизмы воздействия электромагнитного поля на биообъекты
Клетка представляет структурную и функциональную единицу биообъекта, происходящие в организме процессы слогаются из совокупности скоординированных функций его клеток. Клетки могут быть весьма разнообразны по своим размерам, форме и функциям. Функции клетки определяются её строением [19].
Совокупность осуществляемых клеткой биохимических процессов, обеспечивающих её жизнедеятельность, составляет одну из её основных функций — метаболизм. Клетки обладают раздражимостью, способностью к росту, делению и приспособлению к изменениям внешней среды. Её основ-ными составляющими являются: ядро, цитоплазма, плазматической- мембра-на и внутриклеточные компоненты - органеллы [81].
Строение и жизнедеятельность животных клеток при всем их разнообразии достаточно унифицированы. Каждый элемент клетки выполняет опре 13
делённые функции. Эти функции общие для всех видов клеток. В тоже время, они зависят от тканевой специфичности клеток, к которым принадлежат.
По ряду признаков структура и функциональное состояние опухолевых клеток отличается от здоровых. Все клетки злокачественных новообразований человека и животных - это диспластические элементы с наследуемыми их потомками диспластическими особенностями клеточного строения и функционирования [5].
Опухолевые клетки, как правило, имеют больший отрицательный поверхностный заряд и обладают большей электрофоретической активностью. Им свойственно жидкое состояние липидного слоя мембраны, что означает наличие свободно переплетающихся гидрофобных углеводородных "хвостов". Это в существенной мере определяем мембранную проницаемость [95].
Мембраны опухолевых клеток характеризуются менее специфическим составом фосфолипидов, для них характерны повреждения и перегруппировка поверхностных рецепторов, в том числе таких, как гликопротеины [37].
Нельзя сказать, что опухолевые клетки - это недифференцированные, дедифференцированные или возвращённые в эмбриональное состояние клетки. Они, возможно, потеряли некоторые свойства дифференцированной исходной клетки, но сохраняют ряд тканеспецифичных признаков, которые остаются у них даже после длительного культивирования in vitro. Ни разу не было обнаружено новой тканевой специфичности (трансдетерминации). Опухолевая клетка отличается от исходной лишь степенью выражения определённых признаков, и поэтому опухоль не представляет собой ткань нового типа. Различия здесь скорее количественные, нежели качественные [60].
Общими особенностями строения злокачественных клеток являются -иная форма клеток, аномалии ядра по величине и форме, инвагинация его оболочек, большее ядерно-плазматическое соотношение, чем в их не злокачественных предшественниках, увеличение ядрышек, преобладание свободных рибосом, уменьшение объёма цитоплазматической сети, появление в цитоплазме разнообразных включений (в зависимости от вида опухоли).
Опухолевые клетки обладают значительной, хотя и не полной автономностью к регулирующим влияниям организма, способностью к не управляемому делению, скорость которого обычно превышает скорость деления в здоровых клетках, приспособительной изменчивостью к воздействующим факторам.
В опухолевых клетках отчётливо выявлена тенденция к биохимической деспециализации, по сравнению с тканями, из которых они произошли. Злокачественные новообразования нередко перестают адекватно отвечать на стимулы, вызывающие у гомологичных тканей изменения обмена, направленные на поддержание гомеостаза организма. Характерным для опухолевой ткани считается преобладание процессов анаболизма над процессами катаболизма (за исключением углеводного и липидного обмена), в них отмечается нарушение согласованности метаболических циклов.
Опухолевые клетки нуждаются в большем количестве энергии для своего жизненного цикла, чем здоровые, в силу особенности своего функционирования, их механизмы обмена работают в достаточно напряженном режиме. Они располагают двумя потенциально равноценными энергетическими механизмами - дыханием и гликолизом. Их дыхание крайне слабо вследствие местной гипоксии, которая обусловлена относительной бедностью капиллярной сети и низкой ёмкостью сосудистого пространства. Дыхание играет для опухолевых клеток второстепенную роль. В тоже время, гликолиз служит для них основным источником энергии, это является их характерной особенностью. В отличие от здоровых клеток, клетки опухоли значительно активнее используют в своих метаболических процессах для получения энергии, глюкозу. Они интенсивно расщепляют глюкозу до молочной кислоты [101]. Благодаря присутствию в поверхностных слоях мембраны гексокиназы с высоким сродством к глюкозе, опухолевые клетки приобретают способность усваивать глюкозу из окружающей среды, даже при низкой её (глюкозы) концентрации. Это выражается во первых, в усилении переноса глюкозы внутрь опухолевой клетки, во вторых, в преобладании внутри опухолевой клетки повышенного содержания фермента гексоназы, участвующего в переработке глюкозы с выделением энергии. Транспорт глюкозы в опухолевые клетки облегчается чрезвычайно быстрым метаболизмом глюкозы внутри них. В случае нехватки глюкозы в опухолевых клетках включаются процессы глюконеогенеза. Сырьём для них служат белки. Существует прямая корреляция между скоростью роста опухолевых клеток и скоростью гликолиза. Это обусловлено интенсификацией процессов метаболизма. Таким образом, опухолевые клетки паразитируют за счёт здоровых клеток, оттягивая на себя энергоресурсы и пластический материал из межклеточной среды и соседних клеток [61]. В новообразованиях выявлена тенденция к снижению синтеза тканеспецифических белков, в том числе и тканеспецифических ферментов [98].
Описание магнитотерапевтической установки
Приведённые соображения послужили основой для авторской заявки на способ воздействия на биологические объекты [73]. Способ отличающий ся тем, что с целью подавления опухолевых клеток, на них воздействуют би полярным импульсным инфранизкочастотным ЭМП, с регулируемыми пара метрами, формируемом в пространстве между двух солинойдов. Для реали зации способа были сконструированы и изготовлены модификации магнито терапевтических установок [72], одним из основных элементов которых яв Ь ляется генератор ЭМП.
Аппарат воздействия представляет стационарную установку (рис.2.2), источник магнитного поля которой выполнен в виде двух торообразных соленоидов.
Катушки соленоидов, для снижения их разогрева изготовлены из немагнитного материала и расположены на верхнем и нижнем основаниях рабочей стойки, с возможным расположением между ними объекта воздействия. Конструкция позволяет регулировать зазор полости между катушками, а также осуществлять поворот верхней катушки относительно стойки, для изменения положения зоны воздействия.
Питание установки осуществляется от сети переменного тока частотой 50 Гц. Блок питания параллельно соединённых катушек генератора магнитного поля представляет понижающий трансформатор, с вторичной обмотки которого напряжение подаётся на блок формирования импульсов. Формирование импульсов выполняется коммутирующими устройствами, анодными и катодными вентилями - терристорами. Работа блока формирования импульсов осуществляется через устройства запуска от системы управления и контроля с персонального компьютера. Необходимость включения между компьютером и установкой промежуточного звена, системы управления и контроля с использованием L-карты, вызвана тем, что стандартные интерфейсы персонального компьютера не позволяют генерировать специальные сигналы, которые понимают устройства запуска. В память L-карты, содержащей ряд функциональных блоков, загружается специальная управляющая программа, которая по командам с компьютера осуществляет взаимодействие с установкой. Длительности прямых и обратных импульсов и последующих за ними пауз регулируются индивидуально. Одновременно с работой управляющей программы, информация о параметрах воздействия и изображение осевого сечения распределения индукции магнитного поля (по значениям амплитуд) фиксируется на дисплее компьютера.
Воздействующий на генератор магнитного поля импульс состоит из выпрямленного пульсирующего напряжения с частотой пульсаций 100 Гц (рис. 2.3).
Последовательность импульсов пульсирующего напряжения, поступающего на генератор магнитного поля.
Временная структура генерируемого магнитного поля в существенной мере отличается от структуры напряжения питания. Она определяется параметрами электрического контура катушек, его сопротивлением - R и индуктивностью - L, которые в совокупности определяют его инерционность. Изменение магнитного поля импульса выражается соотношением B(t)=Boe , где T=L /R - время релаксации. Указанное обстоятельство приводит к сглаживанию пульсаций. Амплитуды пульсаций магнитной индукции 1 мТл в импульсе, допускают обусловленные ими, возбуждения потенциала действия. Таким образом, повышается эффективность импульсного воздействия.
Одновременно с этим, нарастание переднего фронта импульса (выход на плато) и спад заднего фронта происходят по экспоненциальному закону. Таким образам, форма импульса оказывается отличной от прямоугольной (рис. 2.4).
Для увеличения амплитуды индукции магнитного поля требуется использование генераторов с большими значениями индуктивности катушек, однако, при этом, снижается крутизна фронтов импульса.
Генерируемое поле является осисимметричным. Оно в основном сосредоточено в рабочей полости между катушками. Его конфигурация (рис. 2.6), представленная совокупностью равнозначных линий магнитной индукции, имеет вид гиперболоида.
Характеристика показателей системных откликов у собак со спонтанными злокачественными новообразованиями молочных желёз
У собак со спонтанными злокачественными новообразованиями молочных желёз (щ=4\) проведено динамическое исследование гематологических показателей (до, в середине и по окончанию курса воздействия ЭМП) в сравнении с аналогичными показателями в контрольной группе (здоровые собаки без курса воздействия). Полученные данные приведены в таблице 3.4.
Из представленной таблицы 3.4 видно, что имеют место изменения у ряда гематологических показателей:
уменьшение числа лейкоцитов (тыс/мкл) к окончанию курса воздействия с (8,95+0,94) до (6,47+1,17),что составляет 28%;
уменьшение числа лимфоцитов (тыс/мкл) к окончанию курса воздействия с (1,99±0,25) до (1,21 ±0,12), что составило 39 %;
уменьшение числа нейтрофилов с/я (твс/мкл) к окончанию курса воздействия с (6,33±0,54) до (4,92±).49), что составило 22%;
Сравнение биохимических показателей крови в динамике у собак со спонтанными злокачественными новообразованиями молочных желёз (и3=41) (до, в середине и после курса воздействия) с такими же показателями у здо ровых собак (без воздействия), характеризуются следующими изменениями, представленными в таблице 3.5.
Характеристика биохимических показателей крови при воздействии ЭМП с параметрами: =(35-50)мТл; /и=0,75сек.; /п=0,5сек.; воздействиЯ-(30мин. 20 сеансов) в динамике; (М±т), и3=41
Из таблицы 3.5 видно, что изменения практически всех показателей не значительны и находятся в пределах нормы, за исключением значений по креатинину. Его количество увеличилось к концу курса воздействия с (103,54±9,50) мкмоль/л до (117,97±8,23) мкмоль/л, что составляет 14%;
Было проведено динамическое наблюдение за иммунологическими показателями у собак со спонтанными злокачественными новообразованиями молочных желёз (/73=41) в ходе исследования (до и после курса воздействия) в сравнении с аналогичными показателями у контрольной группы (здоровые собаки без курса воздействия). Данные отражены в таблице 3.6.
Из таблицы 3.6 видно следующее: уменьшение количества лейкоцитов (тыс/мкл) к окончанию курса воздействия с (8,95+0,94) до (6,47+1,17), что составляет 28 %; уменьшение количества лимфоцитов (тыс/мкл) к окончанию курса воздействия с (1,99±0,25) до (1,21 ±0,12) к окончанию курса воздействия, что составляет 39 %;
уменьшение Г-(Е-РОЛ) лимфоцитов (тыс/мкл) к окончанию курса воздействия с (0,41 ±0,09) до (0,28±0,04), что составляет 51 %;
уменьшение -(М-РОЛ) лимфоцитов (тыс/мкл) к окончанию курса воздействия с (0,24±0,06) до (0,14±0,02), что составляет 62%.
У всех животных, подвергнутых курсу локального воздействия ЭМП, не зависимо от характера новообразования (доброкачественная или злокачественная) отмечены следующие внешние изменения:
увеличение размера опухолей за счёт отёчного компонента к окончанию курса воздействия с (2,5- 7)см. до (3,5- 8,5)см. в диаметре;
в 15% случаев наблюдается поверхностное изъязвление опухолей к окон чанию курса воздействия; площадь изъязвлений равна (0,5-4,0)см ;
на ощупь, опухоли после курса воздействия стали мягче;
у опухолей облучаемых животных, находящихся вне зоны воздействия
ЭМП подобных изменений за период курса воздействия не наблюдалось. 3.2.2 Характеристика гистологических препаратов доброкачественных и злокачественных новообразований до и после курса воздействия ЭМП.
В рассматриваемых гистологических препаратах спонтанных доброкачественных новообразований молочных желёз без воздействия (пд=23) с диагнозом фиброаденоматоз определяются пролиферация, дисплазия внутри-протокового и долькового эпителия разной степени выраженности, увеличение размеров долек, отдельные участки склероза и разрастания соединительной ткани с участками дистрофии (ввиду нарушения трофики) и немногочисленные некрозы [77,86].
После курса воздействия МП с параметрами: Z?=(20-K3 5)мТл; и=0,75сек.; /п=0,5сек.; ГВОЗДСЙСТВИЯ=(30МИН. 20 сеансов) на спонтанные доброкачественные новообразования молочных желёз (с диагнозом: фиброаденоматоз) (ид=23) в гистологических препаратах в отличие от препаратов без воздействия отмечается следующее:
увеличение участков с дистрофическими изменениями в виде размытых контуров клеток, вакуолизации и зернистости цитоплазмы до (15- 30) %;
увеличение, в меньшей степени, участков некрозов - до (5-Н 5) %;
очаговые лимфоидные скопления от слабо до умерено выраженных.
При увеличении индукции МП до В=(35+50)мТл при воздействии на спонтанные доброкачественные невообразований молочных желёз, с тем же самым гистологическим диагнозом (ид=23), наблюдаемые изменения значительно усиливаются [24]:
увеличение участков с дистрофическими изменениями до (70+90) %;
увеличение участков некрозов до (20+30) %.
