Диссертация (Функциональное состояние клеток при действии ультразвуковых волн (биохимические и физиологические аспекты)), страница 8

Низкие интенсивности УЗ такжеоказывали биофизический эффект [8].Под влиянием 10-минутной УЗ обработки (0.3 Вт/см2, 0.9 МГц) изменялись оптическиеспектры поглощения инсонированных и растворённых в водных и водно-солевых растворахтирозина, фенилаланина и триптофана. Наблюдаемые изменения обусловлены взаимодействиеммолекул аминокислот с H2О2, азотной и азотистой кислотами, образующихся под влиянием УЗв водных растворах [там же].Длительная инсонация высокоэнергетичным УЗ пучком могла приводить к разрывуароматического кольца в молекуле триптофана. Пороговая интенсивность инициации измененийв тимидине и уридине, составляла 0.5 Вт/см2.

Подавление УЗ эффекта закисью азота N2Oсвидетельствует о радикально-цепной природе ультразвукового воздействия, так как N2Oявляется эффективным акцептором свободных радикалов [там же].27Тепловые эффекты терапевтического ультразвукаКогда УЗ распространяется сквозь ткань, его энергия может поглотиться тканью, чтоприводит к преобразованию энергии УЗ в тепловую [406]. При этом основополагающимипараметрами акустического воздействия остаются физические характеристики УЗ волны(импульсная или непрерывная, продолжительность воздействия, частоты). В целом, импульсныйУЗ по сравнению с непрерывным предотвращает быстрое повышение температуры в ткани,пропорционально применённой скважности [282, 271].

Исследование икроножной мышцычеловека на глубине 3 см выявило увеличение температуры на 5°C при облучении УЗ частотой1 МГц, интенсивностью 1.5 Вт/см2 в течение 10 минут [251].Нетермальные эффекты терапевтического ультразвукаНетермальные эффекты ультразвука можно разделить на вызывающие акустическуюкавитацию — образование мелких пузырьков газа в результате ультразвуковой вибрации[396] — и другие механические эффекты [282]. Газовые пузырьки формируются при расширениии сжатии ткани во время последовательного перехода пикового давления УЗ от сжатияк разрежению и обратно.

В случае разрушения пузырьков создаётся ударная волна с высокимлокальным повышением температуры, генерирующая токсичные свободные радикалы в ткани.Тер Хаар и др. показали, что положительные эффекты ультразвука обусловлены в основном нетепловой составляющей, а нетермальным компонентом [там же]. В диапазоне терапевтическойинтенсивности УЗ ими была доказана сложность возникновения кавитации в естественныхусловиях.Нетермические эффекты также включают в себя сономеханические эффекты [266–267]и сонопорацию (генетическую модификацию1) [233, 247]. К сонохимическим эффектам,например, относят возникновение внутри — и внеклеточной активных форм кислорода [269,309], внутриклеточный дисбаланс ионов кальция [291], образование свободных радикалов,а такжебиохимическиеэффекты,например,индуцированиеапоптозапопутимитохондриальных каспаз [290].

На молекулярном уровне знаний о молекулярной сигнализациии ключевых белках, вовлечённых в ответ на воздействие УЗ низкой интенсивности до сих пор неполучено.Акустические микротечения — локализованные потоки жидкости вокруг вибрирующихпузырьков [281] — являются ещё одним важным эффектом терапевтического УЗ. В жидкостив ультразвуковом поле [405], однако, возникает форма микропотоков, так называемое завихрениеСонопорация — метод искусственного переноса чужеродных ДНК (генов) в клетки с помощью воздействия наних ультразвука, вызывающего открывание пор в клеточной мембране, через которые экзогенная ДНК проникаетв клетки.128потока, что не всегда связано с кавитацией [252]. Эти микро-потоковые течения не толькосущественно изменяют проницаемость клеточной мембраны, но и стимулируют активностьклеток. За изменением проницаемости ЦПМ происходит увеличение синтеза белка,дегрануляция тучных клеток, продукция фактора роста, изменение потребления кальцияи клеточной подвижности [255, 283, 403].

Экспериментальным доказательством изменениямембранной проницаемости после УЗ воздействия служат результаты исследований культурклеток. Ещё в 1955 году зарегистрировали изменение проницаемости мембраны эритроцитовв однородном поле ультразвуковых волн [316]. Выводы исследователей основывались наобнаруженной повышенной концентрации внеклеточного калия после действия 1 МГцнепрерывного ультразвука при интенсивности от 0.5 до 3 Вт/см2.Ещё одним нетепловым эффектом УЗ является стаз (застой) клеток крови, которыйнаблюдали в стоячей УЗ волне на красных кровяных клетках in vitro [254].Излитературыизвестнодостаточнопримеров,в которыхоблучениеклетоктерапевтическим УЗ модифицирует клеточные функции. Сообщается, что «нетермальные»уровни УЗ энергии модулируют свойства мембраны, изменяют клеточную пролиферацию,индуцируютсинтезбелков,вовлечённыхв процессвоспаленияи ранозаживлениятравматических повреждений [301].Экспериментальные работы показали, что УЗ (1 Вт/см2, 1 МГц) способен повышатьтемпературу изолированной мышечной ткани со скоростью 0.86°C/мин.

Клинические данныепоказывают, что лечение с помощью 1 МГц или 3 МГц ультразвуком в течение 40 мин приводитк дозозависимому повышению температуры тканей. При инсонации частотой 3 МГц локальноеповышение температуры происходит более быстрыми темпами [там же]. Диапазонинтенсивностей УЗ от 0.005 до 0.1 Вт/см2 может вызывать увеличение продукции интерлейкинов1 и 8 (ИЛ-1, ИЛ-8).

Основные направления УЗ воздействия на ЦПМ и клетку в целомпредставлены в таблице 1.Таблица 1. Примеры стимулирующего воздействия УЗ на клеточном и молекулярном уровняхБелок-мишень; клеточная функцияКлетки-продуцентыЭффект/откликИнтерлейкин-1bОстеобласты, моноцитыВыброс гистаминаИнтерлейкин-2Т-клеткиРост Т-клетокИнтерлейкин-8Сосудистый эндотелиальный факторростаБазовый фактор роста фибробластовОстеобласты, моноцитыКлеточнаямиграцияи пролиферация эндотелияФактор роста фибробластовМоноцитыРост фибробластовКоллагенОстеобласты, фибробластыРанозаживлениеХлорамфениколацетилтрансферазаHeLa, NIH/3T3, C1271ЭкспрессиялипосомальнойтрансфекцииУсиление пролиферацииОстеобласты, фибробластыРанозаживлениегенов29Адгезия лимфоцитовЭндотелиальные клеткиУсилениелимфыциркуляцииРасширение кровеносных сосудовКапилляры, эндотелийУсиление кровотокаКультура клеток китайского хомячкаПодавлениеактивности(CHO); раковые клетки яичниковопухолевых клетокчеловекаПримечание.

Составлено на основе литературных источников: [254, 289, 301, 323, 324, 329, 392, 408].Разрывы ДНКПоказаны результаты экспериментов по увеличению синтеза специфических белков послеоблучения различных клеток УЗ терапевтических интенсивностей. В совокупности данныетаблицы 1 позволяют предположить, что механическая энергия УЗ волны и сдвиговыенапряжения производят механические воздействия, которые затрагивают как клеточнуюмембрану, так и молекулярные структуры внутри клетки. Кроме того, УЗ волна можетиндуцировать активность белка и напрямую воздействовать на мультимолекулярные комплексы.При этом различные частоты оказывают разное влияние на клеточном и молекулярном уровнях,например, изменяя свойства клеточных мембран [323], увеличивая продукцию белка, по-разномуменяя активность ферментов [304].Действие ультразвука на клетки тканей различной природыГлавным результатом экспериментальных исследований последних нескольких летв области применения УЗ в клинической практике и в лаборатории является определениеосновных направлений его воздействия на биологические объекты in vivo и in vitro.

Установлено,что для УЗ высоких частот характерно, главным образом, местное действие, а общая реакция приэтом может носить реактивный характер в ответ на изменения, наблюдаемые в очаге инсонации.Для УЗ низких частот характерно диффузное, дальнодействующее влияние, в связи с чемреакция на организм при тех же интенсивностях может оказаться более сильной вследствиенепосредственного действия УЗ на большую часть организма [118, 189, 206, 213]. На разныхобъектахпредставителиразныхбиофизическихшколи направленийвыявляликакповреждающее, так и стимулирующее воздействие УЗ.

Остановимся кратко на части этихэффектов. Многослойная культура сонной артерии новорождённой крысы. Время облучения 3 минуты,импульсный режим; интенсивность — от 8.1 до 16.2 Вт/см2; скважность от 10 до 45%.Изменение площади клеток, повреждение, «съёживание», гибель клеток. Нарушениецелостности и жизнеспособности многослойной органотипической и диссоциированнойкультурыэндотелиальныхклеток.Отмеченоокругление,уменьшениеплощадии последующая гибель клеток, которая возрастала с увеличением параметров УЗ воздействия.Наибольшую выживаемость культуры клеток регистрировали при I=8.1 Вт/см2: количествопогибших клеток составляло 48.85%. Та же скважность при интенсивности 16.2 Вт/см2 —30число погибших клеток достигает 58.57%.

Увеличение скважности до 30% приводит к гибелидо 77.5% клеток. Таким образом, степень выраженности указанных изменений зависела нетолько от типа волновода, но и от скважности и интенсивности УЗ-воздействия [71, 72]. Зародыши обыкновенной травяной лягушки, интактные эмбрионы на стадии бластулы.Параметры УЗ воздействия: 0.88 и 2.64 МГц, интенсивность от 0.05 до 1.0 Вт/см2 в течение от1 до 15 мин. Увеличение интенсивности УЗ до 0.7–1.0 Вт/см2 и времени экспозиции до 5–15 мин привело почтик полной смертности.«Развитие эмбрионов, подвергшихсявоздействию УЗ средней интенсивности (0.2–0.7 Вт/см2) в течение 1–5 мин, было практическианалогично управлению».