Введение к работе
Актуальность
Активация или угнетение свободнорадикальных процессов имеет важное значение при развитии отклика клеточных мембран на физико-химические воздействия. Баланс свободных радикалов, постоянно образующихся в организме, контролируется антиоксидантной системой, и поддерживается на определенном стационарном уровне (Барабой В.А., 1993, Storey К.В.,1996, Владимиров Ю.А., 1998, 2000, Зенков Н.К., 2001, Vicini F, Harris J. 2002, Костюк В.А., Потапович А.И., 2004). Избыточное образование радикальных продуктов или недостаточная активность антиокислителей приводит к изменению ненасыщенности липидов, нарушениям структуры и функции мембраносвязанных ферментов, нуклеиновых кислот и, в конечном счете, к гибели клеток (Бышевский А.Ш., 1994, Кулинский В.И., 1999, Ченцов Ю.С. 2004). Поэтому исследование факторов, регулирующих интенсивность свободнорадикальных реакций ' в биологических системах, является актуальным.
В этой связи представляют особый интерес высокоэнергетические импульсные электромагнитные воздействия. Во время генерации высоких импульсных напряжений миллисекундных и наносекундных длительностей за счет высокой напряженности электромагнитного поля в межэлектродном промежутке нарабатываются фотоны с высокой энергией и скоростью, являющиеся основными участниками процессов ионизации, диссоциации и рекомбинации возбужденных молекул и радикальных продуктов (Авраменко Р.Ф.,1990, 1992, Pettersson J.B., Lindroth Н.С. 1992, Райзер Ю.П. 1992, Базелян Э.М., 1997, 1998, Franke К.-Р., Meissner Н. 2000, Ивановский А. В., 2000, Бугаенко Л.Т., 2002). Высокоэнергизированные частицы излучают энергию в видимом и ультрафиолетовом диапазоне (Спиров Г.М., 2004). Изменяя интенсивность и длительность излучения при генерации высокоэнергетических импульсных факторов, можно добиться увеличения продукции радикалов или наоборот процессов их рекомбинации (Верещагин И.П., 2000, Hoeben W.F., 2000, Пискарев И.М., 2000, 2001,2003).
Это свойство высокоэнергетических импульсных воздействий может быть использовано для стимуляции каскада окислительных реакций в опухолевых клетках и торможения свободнорадикальных процессов в организме с опухолью. Известно, что опухолевые клетки обладают высоким уровнем антиоксидантной активности, а организм опухоленосителя свободнорадикальной (Козлов Ю.П., 1973, Бурлакова Е.Б. 1982, Liebler D.C., 1993, Дейчман Г.И., 2000, Алехина СП., Щербатюк Т.Г. 2003).
В основе существующих в настоящее время лимитирующих осложнений
нехирургических методов лечения злокачественных новообразований -
химиотерапии и радиационной терапии (кардиотоксичность,
пневмотоксичность, кожная токсичность) - лежат механизмы свободнорадикальных реакций;
До настоящего времени исследования по изучению влияния высокоэнергетических импульсных воздействий проводились только на
клеточном уровне (Johnson Т., 2003, Hair P.S.,2003, Chen N., 2004), при этом свободнорадикальные процессы и структурно-функциональная целостность различных систем организма остаются практически не изученными.
Окислительно-востановительные свойства импульсных разрядов используют при создании озонаторов и других устройств медицинского назначения (Karelin V.I., 1999, Sladec R.E.J. 2003, Kolb J., 2003, Перетяган CIL, 2005). Известны работы по изучению биологических эффектов наносекундных разрядов в культуре опухолевых клеток (Schoenbach, К.Н., 1997, Johnson Т., 2003, BeebeSJ. 2003).
Исследование физико-химических и биологических эффектов высокоэнергетических импульсных воздействий, выявление режимов этих воздействий, дестабилизирующих опухоль, а также метаболических процессов в интактном организме и организме с опухолью являются актуальными в поиске высокоэффективных методов контроля и коррекции свободиорадикальных процессов в организме в норме и при патологии.
Цель исследования: оценить влияние высокоэнергетических импульсных электромагнитных воздействий на свободнорадикальные процессы и важнейшие физиологические системы организма интактных крыс и с перевитой лимфосаркомой Плисса.
В соответствии с целью решались следующие задачи:
-
Изучить особенности изменения свободнорадикальных реакций и структурно-функциональных свойств клеточных мембран in vitro под действием высокоэнергетических импульсных разрядов.
-
Выявить закономерности действия высокоэнергетических импульсных разрядов на про - и антиоксидантную активность систем организма крыс.
3.- Оценить влияние высокоэнергетических импульсных разрядов на обменные процессы и жизненно важные физиологические системы.
4: Провести морфофизиологическую оценку влияния высокоэнергетических импульсных разрядов на внутренние органы интактных животных, определить органы мишени.
-
Проанализировать изменения свободнорадикальных и обменных процессов крыс с экспериментальной лимфосаркомой Плисса при высокоэнергетических импульсных воздействиях. Изучить влияние высокоэнергетических воздействий на жизненно важные физиологические системы крыс с опухолью.
-
Оценить структурные изменения ткани лймфосаркомы Плисса на фоне высокоэнергетических импульсных воздействий.
Научная новизна
Впервые:
изучены особенности свободнорадикальных реакций, оценены структурно-функциональные свойства клеток in vitro при высокоэнергетических импульсных воздействиях в широком интервале доз; установлен различный временной диапазон интенсификации свободнорадикальных процессов в клетках крови, лймфосаркомы Плисса и микроорганизмах;
показано торможение пролиферативной активности клеток, выявлен бактерицидный и фунгицидный эффект высокоэнергетических импульсных
искровых разрядов;
определен основной действующий фактор высокоэнергетического
импульсного излучения, оказывающий биологическое действие - некогерентное
излучение, видимого и ультрафиолетового диапазона;
установлены закономерности изменения свободнорадикального гомеостаза у
крыс при различных режимах высокоэнергетических импульсных воздействий,
показаны динамические изменения свободнорадикальных процессов в цельной
крови, плазме и тканях внутренних органов интактных крыс;
выявлен режим импульсного воздействия, увеличивающий фагоцитарную
активность крови;
проведено комплексное морфофизиодогическое исследование, влияния высокоэнергетических импульсных разрядов на функциональную активность центральной нервной системы, сердца, печени и почек крыс;
установлены режимы, изменяющие выделительную функцию почек;
показано снижение тревожно-фобических реакций крыс при высокоэнергетических импульсных воздействиях;
выявлено снижение уровня молекулярных продуктов перекисного окисления липидов, нормализация антиоксидантной активности, снижение интегрального показателя эндогенной токсичности, нормализация обменных процессов у крыс с лимфосаркомой Плисса при высокоэнергетических импульсных воздействиях;
изучены в динамике структурные изменения в ткани лимфосаркомы Плисса после воздействия высокоэнергетическими импульсными разрядами;
показана активация апоптотических процессов в опухолевой ткани при воздействии высокоэнергетическими импульсными разрядами в течение 50-300 секунд;
разработана концептуальная схема, объясняющая структурно-функциональные изменения в опухолевой ткани, снижение системного влияния опухолевого процесса на гомеостаз животных с лимфосаркомой Плисса под влиянием высокоэнергетического импульсного излучения. Теоретическая значимость работы
Анализ проведенных исследований позволяет раскрыть механизмы биологических эффектов высокоэнергетических импульсных воздействий и дать физиологически обоснованные рекомендации по рациональному использованию их в медико-биологических целях.
Совокупность экспериментальных данных, полученных с использованием многоуровневого подхода (клетки, ткани, органы, целостный организм в норме и патологии) и комплекса физиологических, биофизических, биохимических и морфологических методов позволили оценить метаболические сдвиги в организме крыс в ответ на действие высокоэнергетических импульсных разрядов. Результаты проведенных исследований позволили выявить бактерицидный и фунгицидный эффект -высокоэнергетических импульсных воздействий. Полученные в работе данные доказывают снижение пролиферативной активности опухолевых клеток за счет свободнорадикальной
дестабилизации мембранного аппарата и внутриклеточных структур, а также
отсутствие /повреждающего" действия* изученных режимов
высокоэнергетических импульсных воздействий для организма в целом
независимо от наличия опухоли. ;,,.*
' .Полученные данные имеют фундаментальное значение для биологии,
ветеринарии и медицины. ; *'[' . '-
Практическая значимость работы -
Защищены патентами"'на изобретение РФ № 2020945 и \К* 2112982
способы активации антиоксидантной системы организма и оценки
антиоксидантной активности биологических субстратов. ;. ." ,
Результаты -исследований по активации антиоксидантных : систем
организма крыс, торможению пролиферативной активности : .. клеток,
бактерицидной и фунгицидной активности высокоэнергетических импульсных
разрядов положены в основу разработанных совместно с ВНИИЭФ г. Сарова в
2003-2004 гг. устройств «VISTA» и «БРИГ», предназначенных для медико-
биологических и электрохимических исследований в ; специализированных
профильных научно-исследовательских учреждениях (ЦНИЛ ;. НижГМА
Н-Новгорода, РФЯЦ ВНИИЭФ г. Сарова). ;- Л ,
".' Положения, выносимые на защиту: '/.: - .> .,-.; :„
-
Высокоэнергетические импульсные воздействия в широком диапазоне доз неоднозначно изменяют свободнорадикальные процессы клеток крови крыс, клеток лимфосаркомы Плисса и одноклеточных микроорганизмов in vitro.
-
Импульсные высокоэнергетические воздействия вызывают, деструктивные изменения в надмембранных, мембранных и внутриклеточных структурах опухолевых клеток и .микроорганизмов, определяя „торможение их пролиферативной активности.
-
Воздействие высокоэнергетическими импульсными,разрядами приводит к изменениям свободаорадикальных и обменных процессов в .организме интактных животных и животных с перевитой лимфосаркомой.
-
Высокоэнергетические импульсные разряды не вызывают значительных морфофункциональных изменений жизненноважных органов и
..физиологических систем организма интактных крыс и с перевитой опухолью.
5. Регионарное. воздействие высокоэнергетических импульсных разрядов на
область перевитой подкожно лимфосаркомы Плисса снижает темпы роста
опухоли и уменьшает ее системное влияние на организм. ^ '.',-. ,
Апробаиия работы .. . . >
Основные результаты диссертации доложены -, и обсуждены на: Республиканской научно-практической конференции '. "Актуальные проблемы физико-химической медицины" (Конаково, 1988); Всесоюзном совещании «Люминесцентный- анализ в медицине- и биологии и его аппаратурное обеспечение» (Рига, 1989); International conference on «Regulation free radical reactions». (Varna, 1989); 3-rd Congress; of- «International Association of Gerontology European Region - clinical section» (Thessaloniki, Greece, 1996); 2 International Symposium- on Ozone—Applications . (Havana, Cuba, 1997);
Международном симпозиуме «Актуальные проблемы биофизической медицины» (Киев, 2000); Международной научно-практической конференции "Актуальные вопросы клинической и экспериментальной терапии" (Минск, 2000); II . Российском конгрессе по патофизиологии (Москва, 2000); 3 Internationa] Symposium on Ozone Application (Havana, Cuba, 2000); VI Международной конференция "Биоантиоксидант" (Москва, 2002); Международном совещании "Человек и электромагнитные поля" (Саров, 2003); Региональной научно-практической конференции "Новые диагностические и лечебные технологии в онкологии" (Томск, 2003); International conference "Reactive oxygen and nitrogen species antioxidants and human health" (Smolensk, 2003); 7-м конгрессе Международной ассоциации Морфологов (Казань, 2004); 3-м съезде биофизиков России (Воронеж, 2004); Международном научном семинаре «Высокоинтенсивные физические факторы в биологии, медицине, сельском хозяйстве и экологии» (Саров, 2004); 4-м Международном симпозиуме «Актуальные проблемы биофизической медицины» (Киев, 2004); Российском съезде Физиологов (Екатеринбург, 2004); 3-м Всероссийском Конгрессе по Медицинской Микологии (Москва, 2005); 3-й международной научно-практической конференции "Медицинские и экологические эффекты ионизирующего излучения" (Томск, 2005); Всероссийском симпозиуме «Эндотоксикоз: природа, диагностика, принципы коррекции» (Волгоград, 2005); I съезде физиологов СНГ (Сочи, 2005); VII Международной конференции «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул» (Томск, 2005); Международной конференции "Активные формы кислорода, оксид азота, антиоксиданти и здоровье человека" (Смоленск, 2005); Российском национальном конгрессе кардиологов (Москва, 2005); VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Озон в биологии и медицине» (Нижний Новгород, 2005); 8-м Международном семинаре-презентации инновационных научно-технических проектов «Биотехнология-2005» (Пущино, 2005).
Публикации
Основные научные результаты по материалам диссертации опубликованы в 54 научных работах, из них в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях рекомендованных ВАК РФ 19 публикаций, и 2 патента на изобретения РФ.
Объем и структура диссертации
Диссертация изложена на 350 страницах компьютерного текста и состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, 3 глав результатов собственных исследований и их обсуждения, с выводами и заключениями по каждой главе, общими выводами по работе и общим заключением. Список цитируемой литературы включает 404 публикации (322 отечественных и 82 зарубежных источника). Работа содержит 66 рисунков и 53 таблицы.
