Содержание к диссертации
Введение
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 11
1.1. Физиологические аспекты действия ЭМИ на биообъекты 11
1.1.1 .Видимый свет, как физический фактор модуляции функционального состояния живых систем в норме и при патологиях 11
1.1.2. Механизмы воздействия видимого света на живые ткани 12
1.1.3.Световая модификация физиологических свойств цельной крови... 18
1.1 АСветовая модуляция физиологического состояния органов и тканей животных в норме и при их альтерации 24
1.1.5. Механизмы воздействия ЭМИ СВЧ-диапазона на биообъекты 29
1.2. Влияние водной фазы на механизмы клеточного метаболизма 31
1.3. Структура гидратных оболочек простых ионов 36
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 41
2.1. Общая схема исследований и объекты воздействия 41
2.2. Лабораторный метод воздействия на функциональное состояние сердечно-сосудистой системы крыс после ишемии посредством облучения открытого сердца НИЛИ и ШКС 42
2.3. Методы оценки уровня свободнорадикального окисления липидов и состояния антиоксидантной защиты клеток 45
2.4. Метод электронно-микроскопического исследования ультра структуры тканей миокарда 46
2.5. Методы оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы крыс и системы крови после клинической смерти и облучения крови НИЛИ и ШКС 46
2.6. Построение математической модели гидратных оболочек ионов в целях проверки механизмов действия НИЛИ, ШКС и СВЧ-излучения на микробные популяции 48
2.7. Проверка альтернативных гипотез о механизмах первичного поглощения ЭМИ в биообъектах 49
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 52
3.1 Влияние низкоинтенсивного красного света на восстановление функциональной активности сердца крыс после тотальной ишемии миокарда 52
3.1.1. Исследование ритмической активности сердца и выживаемость крыс после ишемии 52
3.1.2. Исследование модификации активности СОД в миокарде под воздействием светом лазера и широкополосным красным светом 55
3.1.3. Электронно-микроскопические исследования изменений ультраструктуры тканей миокарда 57
3.2. Реанимация крыс при облучении крови лазерным и широкополосным красным светом 65
3.3. Проверка альтернативных гипотез о механизмах воздействия широкополосного света, света лазера и СВЧ-излучения на выживаемость бактерий 72
3.4. Результаты теоретических расчетов в рамках модели гидратных оболочек простых ионов 77
3.4.1. Энергетические характеристики процесса гидратации ионов 77
3.4.2. Выбор стандартного состояния гидратированных ионов 80
3.4.3. Уравнение зависимости ПХПСС гидратированных ионов от величины заряда их первых гидратных оболочек 82
3.4.4. Модель ионно-энергетического потенциала 84
3.4.5. Заряды гидратных оболочек гидратированных ионов 87
3.4.6. Количественная оценка величин ПХПСС гидратированных ионов 91
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 97
ВЫВОДЫ 102
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 103
ЛИТЕРАТУРА 104
- Физиологические аспекты действия ЭМИ на биообъекты
- Общая схема исследований и объекты воздействия
- Влияние низкоинтенсивного красного света на восстановление функциональной активности сердца крыс после тотальной ишемии миокарда
Введение к работе
Актуальность проблемы
Электромагнитные поля низкой интенсивности как светового, так СВЧ- и других диапазонов способны существенно влиять на функциональное состояние живых клеток, тканей и на организм в целом (Григорьев Ю.Г., 1999). Тем не менее, вопросы о механизмах воздействия электромагнитных излучениях низкой интенсивности на органы и системы организма животных являются актуальными до сих пор (Vladimirov Yu. А., а.о., 2004; Кару Т.И., 1987).
Известно влияние светового облучения на процессы восстановления функционального состояния сердечно-сосудистой системы животных при альтерации, вызванной ишемией. Так в опытах по облучению
5 прекардиальной области грудной клетки крыс была показана эффективность воздействия светом лазера и светодиодов на размер экспериментального инфаркта миокарда и на параметры цельной крови животных (Гацура СВ. и др., 2004). В связи с этим, большую актуальность приобретают исследования эффектов прямого светового воздействия на миокард. В опытах на открытом сердце обеспечиваются условия для моделирования ишемии миокарда и подведения света к сердечной мышце с помощью оптоволокна.
Ещё одним шагом в этом направлении является изучение реакции сердечно-сосудистой системы крыс на экстракорпоральное облучение крови низкоинтенсивным светом после клинической смерти, вызванной острой кровопотерей и последующей реинфузии облученной крови. Эффекты воздействия света на клетки крови описаны в литературе (Скобелкин O.K., Брехов Е.И., 1985, Карандашев В.И., 1996, Спасов А.А. и др. 1998). Вместе с тем, остаются не изученными механизмы реакции сердечно-сосудистой системы и целостного организма на стимуляцию крови посредством ЭМИ.
Особый интерес представляет изучение процессов восстановления функционального состояния сердечно-сосудистой системы животных после стресса, вызванного ишемией. В опытах по облучению прекордиальной области грудной клетки крысы была показана эффективность воздействия светом лазера и светододиодов на размер экспериментального инфаркта миокарда и на параметры цельной крови животных (Гацура СВ. и др., 2004). Полученный в данных опытах значимый отклик функционального состояния сердечно-сосудистой системы свидетельствует о её чувствительности при альтерации к слабым световым потокам. Пятнадцатиминутный сеанс облучения вызывал статистически значимое уменьшение размеров инфаркта миокарда на фоне некоторого снижения сродства гемоглобина к кислороду. Данная модель явно демонстрирует значимость слабых потоков света, как регуляторов
6 физиологического состояния органов и тканей животных после стресса, вызванного ишемией миокарда.
В связи с этим, большую актуальность приобретают исследования на целостном организме. Моделирование тотальной ишемии миокарда в модели открытого сердца обеспечивает условия для подведения света к миокарду с помощью световода и позволяет развить закономерности, отмеченные в опытах по черезкожному облучению тканей.
Механизмы воздействия низкоинтенсивного света на живые клетки часто связывают с фотохимической модификацией молекул — акцепторов энергии ЭМИ (Владимиров Ю.А. и др., 1994). Экспериментально доказанными фактами являются реактивация красным светом супероксиддисмутазы (СОД), инактивированнои в щелочной среде (Горбатенкова Е.А. и др., 1988). Возможной альтернативой данного представления является диссипация энергии света в воде и последующие эффекты, обусловленные локальными нагревами среды. Подобный подход к объяснению фотобиологических эффектов называют неспецифическим, энергетическим (Гамалея Н.Ф. и др., 1986, Воронина О.Ю. и др., 1992). Акцептором электромагнитной энергии могли бы явиться гидратные оболочки ионов. Известно, что вода хорошо поглощает электромагнитные излучения СВЧ-диапазона. Однако, вопрос о том, способен ли видимый свет повлиять на структуру ионов в водной среде остаётся открытым. Кроме того, отсутствуют данные об энергетической структуре гидратных оболочек. Таким образом, для исследования механизмов световой стимуляции живых тканей необходимо провести оценку энергии связи ионов и диполей воды и сравнить фотобиологические эффекты, вызываемые светом различных длин и СВЧ-излучением. Учитывая сложность интерпретации данных, получаемых на уровне организма, для исследования механизмов биологического действия СВЧ-излучений часто используются штаммы кишечных бактерий (Vaishnavi С, а.о., 1998, Fiksdal L., а.о., 1999). Изучение реакций микроорганизмов на облучение
7 светом и радиоволнами СВЧ-диапазона поможет в интерпретации данных по световой стимуляции миокарда и системы крови.
Работа выполнялась в соответствии с планом НИР кафедры физиологии и биохимии человека и животных ННГУ, планом НИР кафедры медицинской физики и информатики НижГМА, а также планом отраслевой темы научных исследований Минсоцздрава России «Разработка физико-химических основ патогенеза и новых средств профилактики и лечения заболеваний человека», № 029/020/00/.
Цель и задачи исследований
Целью работы явилось изучение влияния светового воздействия на функциональное состояние сердечно-сосудистой системы крыс при альтерации, вызванной ишемией миокарда и кровопотереи, а также проверка гипотезы о неспецифическом, тепловом механизме, воздействия электромагнитного излучения на живые клетки. В задачи работы входило:
1. Исследование функциональной активности сердца крыс после тотальной ишемии миокарда и облучения открытого сердца светом лазера (НИЛИ) и широкополосным красным светом (ШКС).
Изучение микроструктурных изменений в кардиомиоцитах, облученных НИЛИ и ШКС.
Изучение активности супероксиддисмутазы и содержания диеновых и триеновых конъюгатов в тканях миокарда после ишемии и воздействия НИЛИ и ШКС.
4. Изучение динамики изменения ЧСС, АД, количества эритроцитов и содержания гемоглобина у крыс после острой кровопотери и клинической смерти, в период реанимации, при облучении реинфузируемоЙ крови ШКС и НИЛИ.
5. Построение математической модели и расчет энергетических характеристик гидратных оболочек простых ионов.
8 6. Сравнение эффектов, вызываемых облучением широкополосным светом, светом лазера и СВЧ-излучением микробных популяций и анализ механизмов воздействия низкоинтенсивным ЭМИ на живые клетки на основе модели связанной воды в гидратных оболочках ионов.
Научная новизна
Впервые изучены эффекты воздействия широкополосного света на миокард в опытах на открытом сердце крыс. Обнаружены различия в эффектах действия лазерного и широкополосного света на миокард открытого сердца крыс после ишемии. Проведённые исследования позволили обнаружить уменьшение времени восстановления сердечной деятельности, в опытах по моделированию ишемии миокарда крыс, наблюдавшееся в результате облучения открытого сердца широкополосным красным светом и светом лазера. Впервые обнаружены морфологические различия в микроструктурных модификациях миокарда, облученного широкополосным светом и светом лазера. В опытах по реанимации крыс после клинической смерти, обусловленной массивной кровопотерей, впервые получен эффект ускорения восстановления дыхания животных в результате облучения реинфузируемой крови широкополосным красным светом и светом лазера.
Впервые построена математическая модель структуры гидратных оболочек простых ионов, позволяющая теоретически обосновать существование ранее не описанного в литературе механизма воздействия ЭМИ на живые объекты. Полученные в рамках этой модели расчетные данные подтверждены в сравнительных экспериментах по оценке влияния низкоинтенсивного СВЧ-излучения и ЭМИ светового диапазона на выживаемость бактерий E.coli. При проверке двух альтернативных гипотез об а) специфическом и б) неспецифическом механизмах действия света на живые объекты, показано, что более правомерной является гипотеза о специфическом механизме такого воздействия.
9 Научно-практическая значимость
Проведённые исследования вскрывают механизмы эффектов, вызываемых воздействием низкоинтенсивного света на миокард крыс при ишемии. Полученные результаты могут использоваться для разработки новых терапевтических методов лечения последствий ишемии миокарда. Предлагаемый в работе метод обработки крови низкоинтенсивными ЭМИ показывает перспективность использования широкополосного света в качестве физического агента, модифицирующего кровь перед процедурой реинфузии в реаниматологии.
Результаты расчетов, полученные в рамках модели гидратных оболочек простых ионов, расширяют теоретические представления о механизмах действия света на живые клетки и могут использоваться для разработки новых методов оценки влияния ЭМИ различных диапазонов на организм человека.
Основные положения, выносимые на зашиту
Облучение открытого сердца крыс широкополосным красным светом, после ишемии миокарда, способствует выживаемости животных и уменьшению гипоксических нарушений - функциональных, морфологических и биохимических - в миокарде, что уменьшает интервал времени между возобновлением коронарного кровотока и восстановлением сердечной деятельности.
Предварительное облучение реинфузируемой крови, как НИЛИ, так и ШКС, способствует более эффективной реанимации при острой массивной кровопотере у крыс, перенесших 10-минутную клиническую смерть.
На основе построенной математической модели, описывающей энергетическую структуру гидратных оболочек простых ионов, предложен еще один возможный механизм фотобиологических эффектов,
10 обусловленный модификацией активности гидратированных ионов вследствие резонансного поглощения ЭМИ СВЧ и красного света.
Механизм воздействия света на живые ткани имеет не тепловую, а фотохимическую природу, обусловленную поглощением фотонов молекулами, имеющими спектральные линии поглощения в области, соответствующей спектру светового излучения.
Апробация работы
Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 5-ой международной конференции «Solubility Phenomena» (Москва, 1992), на «XVIII съезде физиологического общества им. И.П. Павлова» (Казань, 2001), на 1 -ой национальной конференции «Информационно Вычислительные Технологии в решении фундаментальных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики» (Обнинск, 2002), на 3-ей национальной конференции «Информационно Вычислительные Технологии в решении фундаментальных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики» (Обнинск, 2005)., на расширенном заседании кафедры физиологии и биохимии человека и животных ННГУ (2005).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 7 работ.
Структура и объём диссертации
Материалы диссертации изложены на 123 страницах машинописного текста, иллюстрированы 21 таблицами и 29 рисунками. Работа состоит из введения, обзора литературы, характеристики материалов и методов исследования, глав результатов исследования, обсуждения, заключения, выводов и списка литературы, содержащего 191 источника, из них 49 иностранных авторов.
Физиологические аспекты действия ЭМИ на биообъекты
Свет является электромагнитным излучением, включающим три диапазона видимый, а также примыкающие к нему ультрафиолетовый и инфракрасный. Ультрафиолетовый относится к ионизирующим излучениям и имеет собственную нишу исследований в биологических науках (Потапенко А.Я., 1987). Видимый свет занимает узкую полосу между фиолетовой (0,38 мкм) и красной (0,73 мкм) границами восприятия человеческого глаза. Не углубляясь в классификацию инфракрасного диапазона, отметим, что наибольшее внимание в биологических исследование уделяется, так называемому, ближнему инфракрасному излучению (0,73 мкм - 2,5 мкм) граничащему с видимым. Учитывая всю условность такой классификации, с точки зрения физических свойств излучения и особенностей воздействия света на ткани, не обладающими специфическими фоторецепторами, в дальнейшем мы обратим внимание на эффекты, обусловленные действием на живые объекты, как видимого света, так и ближнего инфракрасного излучения.
Видимый и ближний инфракрасный свет столь широко используются в клинической практике, что вошли значимой компонентой в число физических агентов, используемых в фотомедицине. Последний термин отражает физиологическую значимость света. Наибольшее применение в медицине нашёл красный свет. Проникая в мягкие ткани на глубину до 3,5 мм, он воздействует на нервные рецепторы, мышцы и непосредственно на кровь (Дуплик А.Ю., 1990).
Общая схема исследований и объекты воздействия
На первом этапе работы было проведено изучение функционального состояния сердечно-сосудистой системы животных после ишемии миокарда и облучения низкоинтенсивным красным светом, в опытах на открытом сердце.
На втором этапе исследований определялось влияние НИЛИ и ШКС на функциональное состояние сердечно-сосудистой системы крыс и на систему крови после клинической смерти.
На третьем этапе работы, с целью поиска механизма взаимодействия электромагнитного излучения с биологическими клетками, была построена математическая модель структуры гидратных оболочек простых ионов и проведены опыты по воздействию видимым светом двух различных диапазонов и СВЧ-излучением на микробные популяции.
Влияние низкоинтенсивного красного света на восстановление функциональной активности сердца крыс после тотальной ишемии миокарда
Опыты на открытом сердце призваны проверить возможности фотомодификации сердечной деятельности в условиях целостного организма животных, что особенно важно с точки зрения практической значимости данных разработок, как основы для новых методов немедикаментозного лечения ишемической болезни сердца.
На первом этапе исследований были изучены ритмическая активность сердца и выживаемость крыс после 5-минутной ишемии миокарда в зависимости от вида светового воздействия. В контрольной группе наблюдения проводились после операции, моделирования ишемии и возобновления перфузии (в период реперфузии). В опытных группах, в период реперфузии, дополнительно проводилось облучение миокарда красным светом.
Опыты показали высокую летальность животных в контрольной и облучавшейся НИЛИ группах. Было установлено, что к 10-й минуте реперфузии миокарда регистрировалась остановка сердца у всех животных контрольной группы и у менее половины крыс, облученных НИЛИ .
Следует отметить, что у выживших животных опытной группы наблюдался выраженный брадикардический эффект, снижение амплитуды зубца R и увеличение зубца Т, свидетельствующие об ухудшении функциональной активности сердца.
