Osnovy_vzaimodejstviya_ultrazvuka_s_biologicheskimi_obektami

Ультразвуковая резистентность эритроцитов, хранившихся при -196 °С, непосредственно после размораживания значительно выше, чем их резистентность после 24 ч последующего хранения при +4 °С .В связи с этим можно рекомендовать использовать их в кратчайшие после размораживания сроки.

Her принципиальных сложностей для измерения ультразвуковой резистентности лимфоцитов, тромбоцитов, сперматозоидов и других клеток. Так, при изучении лизиса форменных элементов крови свиньи в ультразвуковом поле было обнаружено, что в присутствии лейкоцитов и эритроцитов тромбоцитопения наступает при более низких интенсивностях ультразвука, чем при воздействии ультразвуком па чистую тромбоцитарную плазму.

Применение ультразвуковой цитолизометрии для оценки качества спермы позволило обнаружить различия в механической резистентности сперматозоидов животных разных видов, выявить закономерность, в соответствий с которой устойчивость сперматозоидов к механическим воздействиям тем выше, чем больше масса животного. Поэтому неудивительно, что сперма быка обладает большей криорезистентностью, чем сперма кролика, поскольку при замораживании так же, как и при ультразвуковом воздействии, механический фактор является одним из приводящих к разрушению и гибели клетки.

Неизвестно, обусловлена ли повышенная прочность сперматозоидов крупных животных биологической потребностью, или это обусловлено повышенным содержанием холестерина и сфингомиелина во всех клетках крупных животных. Отметим, однако, весьма высокую резистентность сперматозоидов рыб, что, по-видимому, объясняется условиями внешнего оплодотворения.

Ультразвуковая резистентность сперматозоидов коррелирует с их подвижностью и, следовательно, с их оплодотворяющей способностью. Это позволяет быстро и объективно оценивать пригодность спермы для искусственного оплодотворения, отрабатывать щадящие режимы ее хранения при низких температурах, подбирать подходящие криопротекторы.

Этими примерами применение ультразвуковой цитолизометрии не ограничивается. Широкое применение метода позволяет решать самые разные задачи. Метод ультразвукового разрушения эритроцитов и других клеток значительно информативнее метода определения механической прочности эритроцитов, используемого в настоящее время в клинической практике, и способен его заменить, по крайней мере, в тех случаях, когда небольшое удорожание анализов оказывается несущественным по сравнению с ценностью получаемой информации.

2.5. СОНОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ

ДИАГНОСТИКЕ

Ультразвуковое свечение жидкостей зависит от их физико-химических свойств: поверхностного натяжения, давления насыщающих паров, вязкости, природы и концентрации растворенных в жидкости веществ и т. д. Поэтому если в результате тех или иных физиологических или патологических процессов в сыворотке крови, мочи или дру- гих биологических жидкостях меняется содержание веществ, влияющих на

сонолюмивесцепцию, то ее можно использовать для исследования динамики этих процессов и диагностики патологических состояний.

Так, если небольшое кол ичество (6,45 мл) плазмы крови или воды поместить в кювету, дном которой служит ультразвуковой излучатель, то после включения ультразвука интенсивностью 0,05..,0,2 Вт/см2 и частотой 500 кГц в жидкости в озникает свечение, быстро уменьшающееся со временем. Скорость уменьшения интенсивности свечения воды всегда одинакова, а скорость уменьшения интенсивности све чения плазмы несколько выше, чем у во ды, и заметно различается у больных и здоровых. В качестве диагностического теста удобно пользоваться величиной:

где - время, в тече ние которого интенсивность свечения дистиллированной воды уменьшается втрое, а - время, за которое в три раза уменьш ается свечение исследуемого образца плазмы.

Исследования показали, что в норме величина П = 0,75-1,0, при злокачественных патологиях II = 0,016-0,1 5, а при других заболеваниях не падает ниже 0,2. Авторы связывают обнаруженны й ими эффект с изменением газосодержания в плазме крови при патологических процессах в организме. При злокачественных новообразованиях содержа- ние кислорода в плазме не превышает 88 % от нормы. Простота и н адежность метода позволяет использовать его для дифференциальной диагностики заболеваний опухолевой

инеопухолевой этиологии.

2.6.АКУСТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ

Современная УЗ-техника позволяет не только визуализировать крупные внутренние органы животных, но и получать контрастные акустические изображения неокрашенных или непрозрачных микрообъектов - клеток, тонких срезов мягких и костных тканей.

Вакустической микроско пии используются ультразвук высокой частоты (10 МГц,,.3 ГГц), так как, чем больше част ота, тем короче длина волны, и, следовательно, тем выше разрешающая способност ь микроскопа. Действие акустического м икроскопа основано на том, что рассеянные микррообъемом ультразвуковые волны создаю т акустическое изображение, которое затем преобразуется в увеличенное, видимое изображение, соответствующее акусти ческому.

Впоследнее время было найдено решение, позволившее существен но уменьшить размеры акустического микроскоп а и упростить работу на нем. Выносной блок, содержащий объектив и сканирующее устройство, подсоединен к компьютеру, р еконструирующему акустическое изображени е в двумерное или объемное видимое изображение неоднородностей в теле объекта. С помощью такого микроскопа м ожно легко получать изображения структуры к ожи, поверхностных и подповерхностных дефектов зуба.

Список литературы

1.Акатов В.А., Париков В.А. Ультразвук и его применение в ветеринарии. М.:

Колос, 1970.

2.Акопяп В.Б. Лечит ультразвук. М,: Колос, 1983.

3.Андреев В.Г., Дмитриев В.Н.Пищалъпиков Ю. А, и др. Наблюдение сдвиговой волны, возбужденной с помощью сфокусированного ультразвука в резиноподобной среде // Акустический журнал. 1997. №2.

4.Бвлановский А.С. Основы биофизики в ветеринарии. М,: Агропромиздат, 1989.

5.Гавашели T.B, Акопян В.Б. Макаров С.Н Ультразвуковая резистентность эритроцитов рыбы при ртутном отравлении // Доклады ВАСХНИЛ. 1982. № 7.

6.Горский С.М, Карев И.Д., Терентъев И.Т. Ультразвуковое свечение плазмы крови и диагностика рака // Акустический журнал, 1989. №2.

7.Т.Журавлев AM., Акопян В.Б. Ультразвуковое свечение. М.: Наука, 1977.

8.Маев R.Г. Акустическая микроскопия. Состояние и перспективы // Вестник АН СССР. 1988. № 2.

9.Паункснене M.L, Владишаускас А. Ультразвуковые изменения анатомических параметров глаз животных // Научные труды вузов Литовской ССР. Сер. Ультразвук. 1984. № 16.

10.Применение ультразвука в медицине. Физические основы / Пер. с англ.; Под ред. К. Хилла. М.: Мир, 1989.

11.Руденко О.В., Сарвазян АЛ. Нелинейная акустика и биомедицинские приложения // Биомедицинская радиоэлектроника. 2000. №3,

12.Фридман Ф.Е., Гундорова РА,, Кодзов М.Б. Ультразвук в офтальмологии, М.: Медицина, 1989.

13.Янсон Х.А., Дзенис В.В..Tamapuнoв AM. Ультразвуковые исследования трубчатых костей. Рига: Зинатне, 1990.

1.

3. ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СТИМУЛЯЦИИ И УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕРАПИИ

Стимуляция организма с целью повышения его защитных сил и эффективного лечения заболеваний в идеале возможна лишь в том случае, когда предельно ясны механизмы его функционирования, природа нарушений в живых системах при патологиях, последовательность реакций в организме при лечебных или стимулирующих воздействиях. Наука сегодня еще далека от понимания многих процессов, протекающих в больном и здоровом организме, представляющем собой очень сложную систему, состоящею из сложных подсистем, объединенных многочисленными связями.

Возможны два метода изучения таких систем - синтез и анализ.

Первый метод подразумевает исследование структуры биологических макромолекул и процессов на молекулярном уровне, принципов построения надмолекулярных структур, формирования из этих структур клеточных органелл, клеток, тканей, а также принципов усложнения процессов при переходе от более простого уровня структурной организации к сложному.

Второй метод предусматривает исследование организма как целостной системы и анализ структур, способных обеспечить реакцию системы на внешние воздействия.

Оба метода дополняют друг друга и поэтому терапевтическое и стимулирующее действие ультразвука необходимо рассматривать на разных уровнях биологической организации, в том числе и на системном, организменном уровне.

3.1. ОРГАНИЗМ - БИОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Применение ультразвука в медицине, ветеринарии, биотехнологии можно рассматривать как способ управления биообъектами на любом уровне иерархии их построения: молекулы органеллы клетки ткани организмы популяция.

Химические методы управления подразумевают воздействие на низшие молекулярные уровни с опосредованным влиянием на более высокие уровни.

Физические методы управления подразумевают воздействие на средние уровни с опосредованным влиянием как на нижележащие, так и на более высокие. При этом положительный результат на заданном уровне может сопровождаться как положительными, так и отрицательными эффектами па друг их уровнях.

Ультразвуковое воздействие - типичный пример управления биообъектами физическим методом.

Для управления любым биообъектом необходимы: 1) базы данных о свойствах объекта; 2) адекватная модель объекта; 3) методы контроля состояния объекта (диагностика); 4) методы воздействия на объект для корректировки его состояния.

Эффективное управление биообъектами, в том числе с помощью ультразвука, возможно лишь па базе комплексных исследований влияния различных физических и химических факторов, из которых складывается действие ультразвука на разные уровни биологической организации.

Результаты исследования механизмов действия ультразвука на биомакромолекулы и биомакромолекулярные комплексы, в том числе цитоплазматические мембраны и клеточные органеллы, хорошо укладываются в рамки физико-химических, биохимических

ибиофизических закономерностей. Параметры, характеризующие чувствительность биомакромолекул к ультразвуку, могут заметно меняться, отражая изменения в их составе

иструктуре. Эти изменения, в свою очередь, зависят от характера физиологических и патологических процессов в организме. Однако смоделировать процессы на более высо- ких уровнях биологической организации по изменению свойств макромолекул весьма непросто. Примером может служить квазихимическая модель ультразвукового воздействия на рост и развитие клеточных популяций организма.

В общем случае при анализе жизнедеятельности организма нужно знать не только свойства отдельных клеток, но, что не менее важно, свойства клеточных популяций, из которых состоит организм.

Рис. 3.1. Фазы клеточног о цикла:

G -первая стадия подготовки; S - стадия синтеза; G - вторая стадия подготовки; М- стадия митоза

Наиболее известными клеточными популяциями организма человека (пространства этих популяций), помимо миоцитов, являются клетки крови - эритроциты, лимфоциты, лей- коциты, клетки ткани печени (гепатоциты), клетки костном ткани (остеоциты).

Клеточными популяциями являются микробы, поселяющиеся в организме, который ста- новится для них «жизненным пространством».

Построение квазихимической модели роста клеточных популяций начинается с анализа основных стадий клеточного цикла, состоящего из четырех этапов; G1- 1-й этап подготовки, S- синтез, G2 - 2-й этап подготовки, М - митоз (рис. 3.1).

Установлено, что при заданных внешних условиях длительности к леточного цикла в целом и его отдельных стадий достаточно хорошо воспроизводятся и имеют характеристики, присущи е данной клеточной линии.

Квазихимическая модель клеточного цикла, начиная с митозаделения материнской клетки может быть схематично представлена в виде цепи последовательных стадий-периодов:

Здесь С1 - молодая клетка непосредственно после деления, С2 Сз, Ст последующие ее фазы развития до митоза. Фазы С1 - Ст представляют клетки четырех возрастов.

Фактор размножения определяет число клеток, на которые дели тся митотическая клетка Ст. В простейшем случае - 2 (две клетки).

Модель называется квазихимической потому, что взаимодействие клеток и химических веществ (субстратов и токсикантов) в растущей популяции отобра жается в виде химических реакций с помощью квазихимических уравнений. При этом отображается биохимическая структура растущей популяции - ее химические взаимодействия с окружающей средой.

Необходимым условием роста популяций тех или иных биологичес ких видов является наличие набора М питательных веществ (субстратов) для данного биологического вида S:

где Ms - вектор набора субстратов (Ms1, Мse) для биологического вида S.

Упрощенное описание развития популяции в отсутствие токсикантов и внешних источников можно представить в виде укороченной цепи из двух стадий - роста и деления, дополненных стадией сам оин-гибирования.

Получают двухстадийну ю модель роста и деления в присутствии двух токсикантов (ингибиторов роста) Х1, Х2.

Приращение (или убыль) численности популяции в результате притока (оттока) из внешней среды ЕЕ субст ратов и особей разных возрастов учтено в следующих псевдохимических уравнениях реакций:

где С1 - совокупность кл еток разных возрастов до митоза;

Ст - митотические клетки ;

Са ~ клетки в анабиозе (покое);

М1, М2 - субстраты;

- кинетические константы соответствующих реакций.

Предполагая постоянство количеств субстратов М1, М2 кинетику ц епного роста изолированной популяции, состоящей из особей C1 и Сm, можно описать системой из двух дифференциальных уравнений:

где с1 и сm - плотности популяций растущих и зрелых особей;

- мощность внешнего источника особей С1;

a, b, g, р - кинетические коэффициенты автоингибирования, рожде ния (разветвления), гибели и роста популяци онной цепи .

В коэффициенты р и b включены постоянные количества субстрато в М\коэффициент

размножения. Для разделившейся митотической клетки =2. В общем случае значение/может быть как меньше, так и больше 2. Коэффициенты b х и рх являются функциями от концентрации ингибиторов \

Система уравнений (3.4)--(3.5) для изолированной популяции имеет две стационарных точки (0,0) и :

Первая точка (0,0) отвечает полному вымиранию популяции. Второ й точке соответствует предельная численность популяции .

Численности популяции в целом и клеток в разных фазах развития в условиях изоляции, согласно формулам (3.7), являются функциями содержания ингибиторов в среде. Как следует из соотношений (3.6), с ростом содержания ингибиторов Х1 и Х2 возрастают величины bх и рх. При этом предельная численность клеток С1 и C 2 падает и достигает нуля при равенстве

Уравнение (3.5), как правило, описывает более быстрые изменения по сравнению с (3,4). Поэтому для митотическ их клеток Cm, составляющих обычно небо льшую долю популяции (промежуточный продукт), применимо квазистационар ное приближение, В этом приближении систе ма (3.4), (3.5) сводится к одному уравнению:

Здесь

Где К1 - предельная плотность особей С1 при ,

Частное решение уравнен ия (3.9) при имеет вид

где А равно левой части уравнения, если при t = 0 величина с = -c0- c1(0).

Двухстадийная модель ро ста популяции, описываемая квазихимичесими уравнениями (3.2), позволяет наглядно реализовать математическую формализац ию и получить в явном виде аналитические завис имости, количественно описывающие уль тразвуковые воздействия.

Для учета ультразвуковог о цитолизиса двухстадийную модель (3.2) следует дополнить стадиями

где gsv gSm - кинетические коэффициенты поражающего действия ультразвука на клетки; Cd - лизированые клетки.

Модель (3.2) предполагает, что токсиканты действуют только на растущие С1 и митотические Cm клетки и не влияют на коэффициенты роста a, b, р. Очевидно, что ультразвук в зависимости от его интенсивности не только способен привести к нарушению механической целостности клеток, но и может заметно влиять на указанные выше кинетические коэффициенты. При этом возможно как возрастание этих параметров (ультразвуковое промотирование), так и их уменьшение (ультразвуковое ингибирование).

Очевидно, что при (отсутствие ингибиторов) и (изоляция) кинетические

коэффициенты прямого токсического действия равны нулю. Но химическими агентами могут быть вещества, образующиеся при сонолизе. Система уравнений (3.4)-(3.5) и уравнение (3,11) описывают рост популяции как частный случай, если вместо ки- нетических коэффициентов b,р и g использовать коэффициенты bs,Ps и gsi, учитывающие влияние ультразвука на рост клеток.

Предельная плотность К1 особей С1 при ультразвуковом воздейств ии

В зависимости от характера изменения коэффициентов bs и as иод действием ультразвука величина К1s может как возрастать, так и уменьшаться. При дости жении значения К1 = cо, где cо - начальная численность особей С1, скорость роста попул яции согласно (3.9) обращается в нуль. Рост популяции отсутствует, и се численность остается па исходном уровне.

Условия действия ультразвука, соответствующие К1 = cо, являются в этом смысле цитостатическими.

График функции (3.11) о писывает рост биологических популяций под действием ультразвука в отсутствие внешних источников особей. Данную зависимость целесообразно называть э козвуковой кривой роста популяции.

Рис. 3.2, Экспериментальные точки и теоретические графики функции t ^ /(с), описы- вающей рост числа клеток пивных дрожжей при разных интенсивностях ультразвука:

1 - 0,5 Вт/см2; 2 - 1,0 Вт/см2; 3- 1,5 Вт/см2;

4 - 2,0 Вт/см ;

На рис. 3.2 приведены экспериментальные точки и графики, рассчи танные по уравнению (3.11), описывающие рост числа клеток пивных дрожжей при ультр азвуковом воздействии. В пределах точности измерений расчетные кривые согласуются с экспериментальными данными при изменении численности клеток примерно на шесть порядков. Коэффициенты : .

При большом числе параметров путем подбора нетрудно достичь согласия теории и эксперимента. Поэтому соответствие модели и объекта легко проверить теоретическими расчетами с использованием экспериментально определенных параметров.

Б представленных здесь наиболее общих уравнениях в явном виде содержатся три неизвестных параметра , и все они зависят от условий действия ультразвука. С учетом этого для построения экозвуковой кривой необходимо иметь четыре независимых параметра - aS, bS1 ps и fs, характеризующих рост популяции без токсикантов.

Коэффициент продолжения цепи ps легко определяется по начальной логарифмической фазе кривой роста. Предельное значение численности особей на этой кривой (рис. 3.2) равно отношению . В этом случае коэффициенты для уравнения (3.2)

.

Зная значение Ks1, можно рассчитать фактор размножения Иными словами, все параметры экозвуковых кривых роста популяций могут быть экспериментально определены.

Обработка доступных экспериментальных данных по описанной выше методике показывает, что расчетные кривые в пределах точности согласуются с результатами измерений (см. рис. 3.2).

Следует отметить, что предлагаемая здесь модель позволяет описывать не только ингибирование, но и стимуляцию (промотированис) биологического роста. При этом необходимо иметь в виду, что в квазихимической концепции понятие «субстрат» включает не только биохимические субстраты - вещества, но и организмы.

Например, для потребляющих организмов - консументов - в качестве субстратов могут рассматриваться соответствующие производящие организмы - продуценты (головастик + личинка лягушонок).

Уравнения, полученные па основе квазихимических моделей, позволяют теоретически рассчитывать эффекты совместного действия ультразвука и химических веществ на динамику популяций, т. е. решить одну из важнейших задач теоретической биологии и экологии.

В качестве количественного критерия эффектов действия ингибиторов или промоторов можно использовать отношение

где Тх, Т0 - периоды индукции (инкубации) при действии агентов х1, х2 и в их отсутствие. Эти величины рассчитывают непосредственно по уравнению (3.11).

Расчетная кривая «доза - эффект» Et (х1, х2) для дрожжей удовлетворительно согласуется с экспериментом (см. рис. 3.2).