6 курс / Медицинская реабилитация, ЛФК, Спортивная медицина / Физиотерапия, лазерная терапия / Электрофорез_лекарственных_веществ_Улащик_В_С

Глава 3

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОФОРЕЗА ЛЕКАРСТВЕННЫХ ВЕЩЕСТВ

Действие лекарственного электрофореза на организм, а также важнейшие преимущества его как электрофармакологического метода по сравнению с другими фармакотерапевтическими методами во многом определяются закономерностями прохождения тока через ткани и возникающими при этом физикохимическими изменениями, а также особенностями электротранспорта лекарств через кожу и слизистые оболочки. Об этих

исопряженных с ними вопросах лекарственного электрофореза

ипойдет разговор в настоящей главе.

3.1. Прохождение электрического тока через живые ткани

Ткани человека и животных представляют собой весьма сложную и разнородную систему, состоящую из белков и других полиэлектролитов, плохо проводящих электрический ток, а также растворов неорганических солей, имеющих относительно высокую электропроводность. Разные ткани содержат их в неодинаковых соотношениях, поэтому каждая из них обладает различными как диэлектрическими свойствами, так и электропроводностью. Электропроводность живых тканей прежде всего определяется концентрацией в них ионов и их подвижностью. В межклеточной жидкости, содержащей максимальное количество ионов, удельная электропроводность достаточно высока

исоставляет 1 См/м (Сименс на метр). Напротив, в цитозоле, содержащем органеллы и крупные макромолекулы, она понижается до 0,003 См/м. Удельная электропроводность плазмолеммы

ивнутриклеточных мембран, составляющих до 50% массы клет-

40

ки, еще ниже – 1–310−5 См/м (В. М. Боголюбов, Г. Н. Пономаренко, 1998). Вследствие различных причин удельная электропроводность целых органов и тканей существенно меньше, чем составляющих их компонентов. Ее наибольшие величины (0,6– 2,0 См/м) имеют жидкие среды организма (кровь, лимфа, желчь, моча, спинномозговая жидкость), а также мышечная ткань (0,2 См/м). Удельная электропроводность костной, жировой, нервной ткани, а в особенности грубоволокнистой соединительной ткани и зубной эмали значительно ниже (10−3–10−6 См/м). Более конкретные данные по удельной электропроводности тканей организма приведены в табл. 4 (А. Р. Ливенсон, 1981).

Таблица 4. Удельная электропроводность тканей организма (при 37° С)

Вследствие сложности состава и неоднородности микроструктуры тканей, различий в их электропроводности прохождение тока через них и вызываемое ими движение ионов и других заряженных частиц происходят более сложно, чем в свободных растворах, что обязательно должно учитываться в практике лекарственного электрофореза. Путь тока в тканях во многом зависит от размеров и взаимоположения электродов. Теоретически возможны следующие варианты распределения силовых линий электрического поля (рис. 13):

а) параллельное расположение двух одинаковой площади электродов, когда расстояние между ними больше их поперечника (а); в этом случае силовые линии тока распространяются равномерно и почти параллельно;

41

Рис. 13. Распределение силовых линий тока при варьировании расположения и величины электродов

б) параллельное размещение двух одинаковой площади электродов, когда поперечник подвергающейся воздействию части тела значительно больше поперечника электродов (б); силовые линии тока рассеиваются и наибольшая плотность их отмечается у электродов;

в) параллельное расположение двух одинаковой площади электродов, когда поперечник подвергающейся воздействию части тела неравномерен (в); силовые линии тока распределяются с наибольшей плотностью в суженном отрезке тела;

г) параллельноерасположениедвух разной площади электродов (г), максимальная плотность силовых линий определяется у меньшего электрода;

д) поперечное наложение электродов одинаковой площади на неровные поверхности; силовые линии тока сгущаются по их краям (д). Более равномерное распределение силовых линий может быть достигнуто, если ширина каждого электрода не будет превышать 1/5 окружности подвергаемой гальванизации области тела (е);

е) неравномерное прилегание одного из двух параллельно расположенных электродов; силовые линии максимально сгущаются на отдельных участках этого электрода, что может привести к ожогам (ж);

ж) поперечно-диагональное размещение электродов одинаковой площади; сильно сгущаются петли тока на ближайших, обращенных друг к другу краях электродов (з); при возможности следует избегать такого расположения электродов;

42

з) расположение электродов одинаковой площади один против другого под углом (и), силовые линии сгущаются между сближенными краями электродов; такое расположение электродов следует признать нежелательным;

и) размещение двух одинаковых электродов на одной поверхности тела; силовые линии распределяются неравномерно: наибольшая плотность их отмечается между ближайшими краями электродов (к).

Как показывают исследования, в действительности прохождение тока и перемещение заряженных частиц происходят не по кратчайшему расстоянию между электродами, что прежде всего зависит от весьма различной электропроводности тканей. В организме постоянный ток распространяется по пути наименьшего омического сопротивления, главным образом по межклеточным щелям, кровеносным и лимфатическим сосудам, периневральным пространствам и мышцам. В этой связи путь тока в живом организме может быть довольно сложным и нередко захватывает области, весьма отдаленные от места наложения электродов.

Исключительно важную роль в физико-химических основах лекарственного электрофореза играют свойства кожи, прежде всего ее электропроводность. Как известно, электропроводность кожи зависит от ее толщины (в особенности эпидермиса), состояния дериватов и содержания воды. Толщина эпидермиса большинства участков тела составляет 0,07–0,12 мм, а на ладонных поверхностях кистей и подошвенных поверхностях стоп достигает 0,8–1,4 мм. Содержание воды в поверхностном слое составляет всего 10% от массы клеток, тогда как в нижележащих слоях достигает 70%. Площадь потовых и сальных желез волосяных фолликулов на разных участках тела неодинакова и составляет 0,5% поверхности кожных покровов. С учетом этих особенностей удельная электропроводность кожи различных участков тела может колебаться в пределах 10–3–210–2 См/м (В. М. Боголюбов, Г. Н. Пономаренко, 1998).

Поскольку кожа и особенно ее поверхностный слой (эпидермис) обладают высоким омическим сопротивлением (107 Ом), то

43

через неповрежденную кожу ток проходит в основном по каналам кожных (прежде всего потовых) желез. В этой связи важно учитывать, что многие факторы влияют на электропроводность и сопротивление кожи. Так, нежная и покрытая потом или увлажненная кожа, а также кожа с поврежденным эпидермисом хорошо проводит электрический ток. Усиление кожного кровообращения и отечность кожи также увеличивают ее электропроводность. Наоборот, сухая, огрубевшая кожа является плохим проводником постоянного электрического тока. Весь спектр факторов, влияющих на электропроводность кожи, попытался обобщить П. П. Слынько (1973) и представил его в виде диаграммы (рис. 14).

Рис. 14. Факторы, влияющие на изменения электропроводности кожного покрова

44

Вследствие высокого кожного сопротивления при прохождении через кожу постоянного электрического тока здесь происхо­ дит максимальное падение электрического напряжения, а поэтому наиболее выраженные изменения обычно происходят в коже под электродами.

Важно упомянуть, что величина омического сопротивления кожи корригирует с показателями ее проницаемости (П. П. Слынь­ ко, 1973; А. М. Чернух, Е. П. Фролов, 1982). Поэтому факторы, изменяющие электропроводность кожи, будут, вне сомнения, влиять и на электрофорез лекарственных веществ.

Электрический ток, преодолев сопротивление кожи и подкожной жировой клетчатки, в дальнейшем распространяется через ткани параллельными пучками также по пути наименьшего омического сопротивления (В. И. Щедраков, 1959; R. Peterson, 1966 и др.). Электропроводность тканей в живом организме может сильно варьировать в соответствии с изменениями различных как внешних, так и внутренних факторов. Она прежде всего изменяется под влиянием факторов, влияющих на водно-солевое равновесие тканей. Все ткани, находящиеся в состоянии гиперемии или отека, пропитанные тканевой жидкостью или воспалительным экссудатом, обладают более высокой электропроводностью, чем эти же ткани в нормальном физиологическим состоянии. На электропроводность органов и тканей влияет состояние нервной и гормональной систем. При возбуждении нервной системы электропроводность тканей повышается, уменьшается их сопротивление электрическому току. Весьма существенно электрическое состояние тканей может изменяться в онтогенезе, под влиянием гормональной терапии и хирургического лечения, при многих патологических процессах. Все это необходимо учитывать при назначении и дозировании лекарственного электрофореза.

3.2. Физико-химические явления, сопровождающие прохождение электрического тока через ткани

Прохождение электрического тока через биологические ткани сопровождается рядом физико-химических явлений, которые не только лежат в основе его первичного действия, но и влия­

45

ют на многие закономерности лекарственного электрофореза

(Д. А. Фридрихберг и соавт., 1951–1972; В. С. Улащик, 1969, 1974, 1976) и др.

В связи с емкостными свойствами тканей и способностью живых клеток накапливать заряды при прохождении через них постоянного тока возникает электрохимическая поляризация. Она заключается в местном скоплении ионов около различных преград, прежде всего по обеим сторонам клеточных мембран. Такие скопления электрических зарядов (ионов), естественно, ведут к возникновению электродвижущей силы (ЭДС поляризации), имеющей направление, противоположное внешне приложенному напряжению. Вследствие этого ток поляризации ухудшает прохождение используемого постоянного тока через ткани и, очевидно, препятствует также введению им в организм лекарственных веществ. Наиболее интенсивно поляризационные процессы протекают в имеющей сложную мембранную структуру коже в области расположения электродов (виртуальная поляризация по А. Е. Щербаку). Поляризация происходит и в других тканях, находящихся на пути прохождения тока (интерполярная поляризация). Электрическая поляризация не только влияет на закономерности прохождения тока в тканях и транспорт им веществ, но и в некоторой степени определяет биологические действия физического фактора. Это обусловлено тем, что поляризация сказывается на дисперсности коллоидов протоплазмы, гидратации клеток, проницаемости мембран и других важных для жизнедеятельности организма физико-химических явлениях. Не менее важно и то, что поляризация затухает в течение длительного времени (J. Ipser, 1958), с чем в какой-то степени связано последействие электрического тока в организме.

Наиболее общим физико-химическим процессом, обусловлен­ ным физической природой постоянного тока и играющим важную роль в механизмах его физиологического и лечебного действия, считается изменение ионной конъюнктуры, количественногоикачественногосоотношенияионоввтканях(А.Е.Щербак, 1936; А. Н. Обросов, 1958, 1972; В. С. Улащик, 1969, 1975 и др.).

Изменение ионной конъюнктуры тканей может не только влиять

46

на течение физиологических и патологических процессов в организме, но и определять различия во влиянии катода и анода. Как известно, наибольшее физиологическое значение придается соотношению в тканях одновалентных (К+ и Na+) и двухвалентных (Са2+ и Mg2+) ионов, суммарно характеризуемому с помощью коэффициента Лёба (Кл):

Этот коэффициент имеет постоянное значение, равное для большинства биологических тканей 27,6, а его изменение сказывается на возбудимости нервной и других тканей. Его повышение, как правило, ведет к увеличению возбудимости тканей, а уменьшение – к ее снижению. Увеличение коэффициента Лёба, как нетрудно догадаться, может наблюдаться при повышении концентрации ионов калия и натрия или снижении уровня двухвалентных ионов. Это может происходить только на катоде, в связи с чем данный полюс принято считать возбуждающим (раздражающим). Уменьшение же коэффициента Лёба может быть следствием снижения концентрации одновалентных катионов и увеличения содержания двухвалентных ионов кальция и магния. Вследствие значительно большей подвижности ионов калия и натрия по сравнению с двухвалентными катионами последние будут медленнее перемещаться к катоду, а их концентрация относительно одновалентных катионов будет большей у анода. Этим и объясняют седативное (успокаивающее) действие положительного полюса (анода) постоянного тока.

Это теоретически вполне обоснованное положение частично получило экспериментальное подтверждение в наших исследованиях, обобщенных в табл. 5. Как видно из представленных данных,достоверноеизакономерноеизменениесодержанияважнейших­ электролитов после гальванизации (0,1 мА/см2, 20 мин) наблюдается в тканях, расположенных непосредственно под электродами. В коже и скелетной мышце под катодом (к) повышался уровень калия и натрия и снижалось содержание хлоридов. Под анодом (а) как в коже, так и в мышцах происходили противоположные сдви-

47

ги. Изменения содержания исследуемых ионов в большинстве внутренних органов оказались несущественными. Незначительность ионных сдвигов в подэлектродных тканях и отсутствие их в отдаленных от места воздействия органах дают основание не согласиться с существующим ранее априорным мнением, что физиологическое и лечебное действие гальванического тока исключительно обусловлено изменением ионной конъюнктуры тканей.

Таблица 5. Изменение содержания важнейших электролитов

в тканях кролика после воздействия гальваническим током, мг %

П р и м е ч а н и е. Здесь и далее * указывает на достоверность изменений

(P < 0,05).

С целью изучения активности ионов нами проведено прижизненное потенциометрическое измерение pNa, pK, рС1 в тканях животных, подвергнувшихся гальванизации (В. С. Улащик, 1974, 1976). Как показали исследования (табл. 6), в подэлектродных тканях (мышцах) сдвиги носили разнонаправленный характер: на катоде резко возрастала активность катионов (уменьшение рК и pNa) и имелась тенденция к снижению активности хлора; на аноде незначительно повышалась активность хлора и достоверно уменьшалась активная концентрация ионов калия и натрия. В тканях межэлектродного пространства увеличивалась активность исследуемых катионов при отсутствии сдвигов со стороны рС1.

48

Таблица 6. Динамика активности ионов в подэлектродных тканях

до и после гальванизации

Увеличение термодинамической концентрации основных неорганических ионов должно способствовать повышению физиологической активности тканей и рассматривается нами как один из важнейших механизмов специфического и стимулирующего действия гальванического тока.

Общеизвестно, что большинство ионов в тканях находится в свободном (активном) и связанном (неактивном) состояниях (Е. И. Сорокина и соавт., 1964, 1968; М. Е. Райскина и соавт., 1970 и др.). Действие постоянных токов на ткани сопровождается переходом части ионов из связанного в свободное, физиологически и термодинамически активное состояние.

На долю воды в тканях приходится 70–90% их массы. Вода, находящаяся в свободном состоянии, будет частично подвергаться диссоциации и служить источником водородных и гидроксильных ионов. Под действием тока эти ионы будут перемещаться в противоположных направлениях, что и будет приводить к изменению кислотно-щелочного равновесия в тканях. Особенно активно эти процессы будут протекать в области расположения электродов, что и приведет к существенному изменению рН кожи (табл. 7). Схема происходящих процессов показана на рис. 15.

49