Диссертация (Функциональное состояние клеток при действии ультразвуковых волн (биохимические и физиологические аспекты)), страница 7

Последние отчёты показали, чтоапоптоз (также называемый запрограммированной гибелью клеток) in vitro в несколькихклеточных линиях лейкемии и лимфомы можно вызывать импульсным УЗ высокой [233]и низкой интенсивности [264, 309, 381], непрерывным [379] и сфокусированным УЗ [229],сфокусированным УЗ высокой интенсивности [295], УЗ в сочетании с гипертермией [267],фотодинамической и лучевой терапией [315].

Было также доказано, что апоптоз индуцируетсясфокусированным УЗ в клетках мозга [393] и печени [318] кролика in vivo. Индикаторомактивности стресс-реакции в организме животного служат клетки крови [66].Tabuchi с соавторами [379–381] показали, что УЗ способен регулировать экспрессиюрибосомальных белков, влиять на клеточную пролиферацию и дифференциацию, индуцироватьостановку клеточного цикла и приводить к апоптозу. Указанные биологические эффекты могутбыть специфичны по типу клеток и зависеть от параметров инсонации.

Исследователи проводилиэксперименты по анализу генов, ответственных за индуцированный УЗ апоптоз in vitro. Былауспешно показана потенциальная сеть генов и ключевой молекулярный сигнальный путь,связанные с индуцированным УЗ апоптозом.§ 2.2. Биологическое действие непрерывного, импульсного и амплитудномодулированного ультразвукаУЗ методы «пришли» в биологию около 70 лет назад и в настоящее время широкоиспользуются. Тем не менее, исследования продолжаются, с тем чтобы расширить сферуприменения и получить более полное представление о влиянии УЗ на биологические мишении его взаимодействии с биологической средой.24Уровень интенсивности терапевтического УЗ можно условно разделить на УЗ высокойинтенсивности в диапазоне от 5 до 15 Вт/см2, и УЗ с низкой интенсивностью в диапазоне от0.0005 до 3.0 Вт/см2 [300].

Высокоинтенсивный сфокусированный УЗ (HIFU-терапия) можетбыть использован для селективного нагрева, который вызывает сгорание опухоли в организме.Проходя через биологические ткани, УЗ вызывает механическую микродеформацию путёммолекулярного взаимодействия и столкновения, что может генерировать эффекты набиохимическом или клеточном уровне [234, 373]. Поглощение УЗ в зависимости от его частотыи интенсивности, а также плотности биологической ткани может приводить к локальномуповышению температуры. В связи с этим, в ряде случаев большинство биологических эффектовУЗ удобно условно разделить на тепловые, которые, как правило, вызваны непрерывными УЗволнами, и нетепловые эффекты, по большей части вызываемые импульсным или амплитудномодулированным УЗ [152, 303].Биологические эффекты терапевтического ультразвукаТерапевтический УЗ индуцирует сочетание нетепловых эффектов (акустических теченийи кавитации), которые трудно отделить один от другого.

Акустические течения, возникающиев результате взаимодействия УЗ волны с жидкостью, способны перемещать ионы, малыемолекулы и клеточные органеллы в при– и околомембранном пространстве [336]. Хотя многиеиз названных структур являются стационарными, целый ряд из них свободно плавают и могутбытьприведеныв движение,вовлекаяв процессболеестационарныеобразования.Механическое давление, создаваемое акустической волной, производит однонаправленноедвижение жидкости вдоль и вокруг клеточных мембран [337].Быстрое изменение давления в среде, вызванное прохождением звуковой волны внутрии вокруг клеток, может привести к их повреждению.

В ряде случаев при терапевтическихуровнях УЗ могут возникать микровзрывы, именуемые нестабильной кавитацией, пульсациейпузырьков газа, нарушающие клеточную активность [385].Несмотря на различные достижения, реальные механизмы действия УЗ кавитации наклетки остаются до конца не раскрыты. Кроме того, молекулярный механизм измененияпроницаемости клеточных мембран при возникновении УЗ кавитации тоже пока не ясен. Это,вероятно, является результатом отсутствия методов мониторинга кавитации на клеточном уровнев режиме реального времени.Доказано, что в кавитационных пузырьках образуются электрические заряды, которыевызывают ионизацию среды.

Вследствие чего происходит расщепление молекулы воды на Н+и ОН–, появляется перекись водорода, а в присутствии азота — азотные и азотистые кислоты.Также при помощи УЗ возможна фиксация молекулярного азота органическими кислотами25с образованием аминокислот, которые идут на построение белка. (Этим объясняют роль УЗв регуляции синтеза белка.) Изменяется соотношение между клеткой и межклеточнойжидкостью в сторону повышения последней.

Воспаленная ткань реагирует на УЗ сильнее, чемздоровая, уменьшается ацидоз, кислотность среды смещается в щелочную сторону, а значит,в определенной степени отмечается противовоспалительный эффект. Ультразвуковые волныинактивируют ферменты, гормоны, повышают активность инсулина, вызывают расщеплениегликогена, осуществляют деполимеризацию гиалуроновойи хондроитинсерной кислот,вызывают гидрацию дермы.Подробно биофизические эффекты терапевтического УЗ были изучены в научныхисследованиях in vitro [244, 261, 285, 358, 363].

Однако, чтобы оценить влияние УЗ на здоровыйорганизм, необходимо принять во внимание регулирующие любое воздействие механизмыin vivo, такие как гомеостаз.В естественных условиях любое изменение во внеклеточной жидкости можетинициировать защитную реакцию с целью минимизировать эффект на клетках, тканях и органах.Эти защитные механизмы могут быть, по крайней мере частично, ответственными за кажущиесянесоответствия между результатами УЗ воздействия in vitro и выводами о целесообразностии безопасности применения УЗ in vivo [362].

Так, в целостном организме регистрируютотсутствие отрицательных эффектов на увеличение клеточного лизиса, наблюдаемое in vitroпосле действия импульсного ультразвука в пробирке. Однако, до сих пор неоспоримо, чтонеобходимы дальнейшие исследования, связанные с безопасным использованием клиническогоультразвука [303].В 1970-х годах УЗ применялся в терапии злокачественных новообразований [16].Проведённые исследования показали, что глубокие изменения в ультраструктуре опухолевыхклеток вызывает УЗ интенсивность 40 Вт/см2. Степень вызываемых повреждений напрямуюзависела от количества облучений.

В результате терапии можно было достичь высокого процентаторможения роста опухоли, однако при этом наступала гибель значительного количестваживотных. В связи с этим с целью противоопухолевого эффекта УЗ проводилось облучениеподкожных и глубоколежащих внутримышечных опухолей терапевтическими аппаратамис функциональным распределением УЗ колебаний по облучаемому объекту [168].

По сути, этоодна из первых успешных попыток применения УЗ при направленном воздействии на растущиеклетки in vivo.Харви с соавторами [285] и Рамирес с соавторами [358] сообщали о повреждениимембран и разрушении клеток суспензии под действием импульсного УЗ частотой 1–3 МГц,интенсивностью (SATA) 0.08 Вт/см2. Это наблюдение было подтверждено работой де Дайнаи Кирха-Волдерса [248], которые описали аналогичные изменения ядер фибробластов in vitro. До26этого, в 1989 г.

Фахнесток с соавторами [261] опубликовали данные о лизисе клетокнейробластомы при интенсивности непрерывного УЗ в 1 Вт/см2. Зарегистрированное изменениеи повреждение клеток было объяснено УЗ кавитацией.При исследовании особенностей локального воздействия УЗ частотой 1 МГц насухожилия кролика были получены разные результаты для двух интенсивностей УЗ (1.0 Вт/см2и 0.5 Вт/см2). Регистрировали различное изменение натяжения (растягивающие напряжения, илисилу, действующую на единицу поверхности) после облучения ткани [259, 336].Биологические эффекты ультразвука традиционно разделяют на тепловые и нетепловые[303].

По нашему мнению, было бы неправильно считать, что присутствует только один эффект.На самом деле, эти два типа эффектов неразделимы [282]. Нет достаточных доказательств, чтосуществует истинный порог биоэффектов в результате воздействия УЗ по какому-либо измеханизмов [253]. Акустические поля, вызывающие нагрев тканей, всегда сопровождаютнетепловые эффекты. Импульсный УЗ уменьшает локальный подъём температуры прямопропорционально соотношению длительности пауз между импульсами [281]. Тем не менее,эффекты инсонации удобно классифицировать на термальные и нетермальные. Последние, какправило, связаны с кавитацией и сопутствующими явлениями.При изучении действия на биорастворы низкоинтенсивного УЗ в качестве модельныхобъектов наиболее часто использовали основания, белки, нуклеиновые и аминокислоты.Последние в поле интенсивного УЗ (10 Вт/см2, 0.6–0.8 МГц) синтезируются из более простыхвеществ, испытывая дальнейшие химические превращения.