автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.09, диссертация на тему:Влияние электромагнитного излучения крайне высоких частот с различными биотропными параметрами на распираторный взрыв нейтрофилов

к/ /" У - А

/' л/ V / \

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ БИОФИЗИКИ КЛЕТКИ МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РФ ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Л.Н.ТОЛСТОГО

На правах рукописи УДК 591.111.1:538.569

ЯКУШИНА ВАЛЕНТИНА СЕРГЕЕВНА

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ КРАЙНЕ ВЫСОКИХ ЧАСТОТ С РАЗЛИЧНЫМИ БИОТРОПНЫМИ

ПАРАМЕТРАМИ НА РЕСПИРАТОРНЫЙ ВЗРЫВ НЕЙТРОФИЛОВ

05.13.09 - управление в биологических и медицинских системах (включая применение вычислительной техники)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители: д.б.н. Чемерис Н.К. к.ф.-м.н. Гапеев А.Б.

ПУЩИНО - ТУЛА 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................4

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР..................................................... 9

1. Биологические эффекты ЭМИ КВЧ...................................................9

1.1. Основные закономерности взаимодействия ЭМИ КВЧ с биологическими объектами................................................................ 9

1.2. Действие непрерывного ЭМИ КВЧ на биологические

объекты................................................................................................. 12

1.3. Действие модулированного ЭМИ КВЧ на биологические объекты..........................................................................................................................19

1.4. Основные теории и гипотезы о механизмах действия

ЭМИ КВЧ на биологические системы............................................. 22

1.5. Модифицирующее влияние магнитных полей на функционирование биологических систем...................................... 28

2. Иммуномодулирующее действие ЭМП.............................................. 31

3. Нейтрофил как тест-объект для оценки влияния

ЭМИ КВЧ............................................................................................ 35

3.1. Общая характеристика нейтрофила: морфологические и функциональные особенности........................................................... 35

3.2. Основные пути активации респираторного взрыва в нейтрофилах......................................................................................... 38

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ................ 42

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ....................................... 48

1. Эффекты непрерывного ЭМИ КВЧ низкой интенсивности на

функциональную активность нейтрофилов......................................48

2. Зависимость эффектов ЭМИ КВЧ на функциональную

активность нейтрофилов от ПППЭ излучения................................ 56

3. Эффекты модулированного ЭМИ КВЧ на

функциональную активность нейтрофилов.................................... 59

4. Модифицирующее влияние постоянного магнитного поля на

частотнозависимые эффекты низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ...... 66

ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ...........................................77

ВЫВОДЫ................................................................................................... 88

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................(......................................... 89

ВВЕДЕНИЕ

Одним из направлений биологических исследований, быстро развивающимся в последнее время, является электромагнитобиология. Область ее интересов связана с оценкой действия электромагнитных полей (ЭМП) на биологические объекты, выявлением возможных сенсоров ЭМП и изучением биофизических механизмов дистантного действия ЭМП на живые системы.

Широкое использование электромагнитных технологий, начавшееся сравнительно недавно и приобретающее все большие масштабы, обусловило интенсивное развитие исследований в этой области. Электромагнитное излучение (ЭМИ) антропогенной природы -новый, мощный фактор воздействия на все живое. Этот фактор рассматривают как один из источников загрязнения окружающей среды и в связи с этим как экологический фактор риска для населения. Последнее подтверждается данными исследований о существовании возможного неблагоприятного воздействия ЭМИ на здоровье человека, проявляющегося в повреждении основных функций организма, в том числе поражении сердечно-сосудистой системы, пищеварительной системы, иммунной системы, нервной и др. [Григорьев Ю.Г. и др., 1997]. Прогрессивное использование электромагнитных технологий создает необходимость объективной оценки действующих на живые системы ЭМИ, усиления мониторинга за излучающим оборудованием и совершенствованием санитарно-гигиенических норм для населения, и в первую очередь для персонала, обслуживающего установки, генерирующие ЭМИ [Акоев И.Г., 1983].

Особое место в электромагнитобиологии занимает область исследований биологических эффектов ЭМИ крайне высокой частоты

(КВЧ), называемого миллиметровыми волнами. Обнаружено эффективное действие мм-излучения не только высоких интенсивностей, но и низких (меньше 10 мВт/см2).

Актуальность исследований изменений различных физиологических процессов в биологических системах под действием ЭМИ КВЧ низкой интенсивности связана с несколькими обстоятельствами:

1. В литературе приводятся сведения об эффективном действии ЭМИ КВЧ на живые системы [Девятков Н.Д. и др., 1981; Grundler W. et al, 1992; Бецкий О.В. и др., 1996]. Биотропное действие КВЧ-излучения не вызывает сомнений. Однако, накопленный экспериментальный материал, свидетельствующий о широком спектре биологических эффектов ЭМИ КВЧ, не дает ответа на вопрос о физико-химических и биофизических механизмах действия КВЧ-излучения на живые системы.

2. Успешное применение ЭМИ КВЧ в медицинской практике для диагностики, лечения и профилактики большого числа заболеваний [Андреев Е.А. и др., 1985; Бессонов А.Е., 1997; Афромеев В.И. и Соколовский С.И., 1997; Афромеев В.И. и др., 1997; Rojavin М. & Ziskin М., 1998; Девятков Н.Д. и др., 1991; Теппоне М.В., 1997] может рассматриваться как один из факторов, объясняющий интерес к исследованию биологического действия ЭМИ КВЧ. КВЧ-терапия является новым методом воздействия на организм человека, основанном на использовании низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ. Методы КВЧ-терапии используют в гастроэнтерологии [Khabarova et al., 1996], онкологии [Lian V.N. & Votoropin S.D., 1996; Кабисов P.K., 1997], для лечения сердечно-сосудистых заболеваний [Федулаев Ю.Н. и др., 1997] в клинике послеоперационных состояний и других медицинских

областях [Rojavin М. & Ziskin М., 1998]. Следует отметить, что конкретные биофизические механизмы действия ЭМИ КВЧ на биологические объекты изучены недостаточно для объяснения ряда эффектов КВЧ-терапии. Когда используемая мощность излучения достаточна мала, 10 мВт/см2 и ниже, получаемые эффекты не объясняются с позиций теории теплового действия излучения.

Одним из путей решения вопроса о биофизических механизмах действия низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ на живые системы могут стать исследования, связанные с регистрацией и анализом изменений функционально значимых процессов в биологической системе во время или после воздействия излучения.

ЭМИ КВЧ как физический фактор, действующий на биологические объекты, характеризуется следующими биотропными параметрами: частотой и соответствующей ей длиной волны; интенсивностью, плотностью потока энергии (ППЭ) или плотностью потока поглощенной энергии (ПППЭ); наличием или отсутствием модуляции, видом модуляции и некоторыми другими.

Возможно, что помимо этих физических параметров эффективность ЭМИ КВЧ может зависеть от величины магнитной индукции приложенного к объекту постоянного магнитного поля. Основанием для такого предположения послужили результаты работ [Yost М. G. & Liburdy R.P., 1992; Леднев В.В., 1996], в которых показано, что эффект переменного магнитного поля зависит от величины постоянного магнитного поля. Кроме того, в пользу такого предположения свидетельствует то обстоятельство, что как и ЭМИ КВЧ, так и переменное магнитное поле, как показано в ряде работ [Walleczek J. 1992; Yost M.G. & Liburdy R.P, 1992; Karabakhtin R. et al., 1994; Markov

M.S. & Pilla A.A., 1997; Сафронова В.Г. и др., 1997] влияют на кальций-зависимые процессы.

Цели и задачи исследований. Целью настоящей работы было изучение влияния ЭМИ КВЧ с различными биотропными параметрами на функциональную активность клеток иммунной системы — перитонеальных нейтрофилов мыши.

При исследовании решались следующие задачи:

1) Изучить частотнозависимый характер ответа нейтрофилов на действие непрерывного и модулированного ЭМИ КВЧ.

2) Определить зависимость эффектов ЭМИ КВЧ на активность нейтрофилов от интенсивности излучения.

3) Провести сравнительный анализ особенностей действия непрерывного и модулированного ЭМИ КВЧ на интенсивность респираторного взрыва нейтрофилов.

4) Выяснить принципиальную возможность модификации эффектов непрерывного ЭМИ КВЧ при различных величинах магнитной индукции постоянного магнитного поля (ПМП).

5) Исследовать характер зависимости эффектов непрерывного ЭМИ КВЧ от величины магнитной индукции ПМП, при котором происходит облучение нейтрофилов.

Научная новизна и научно-практическое значение результатов. Установленные в работе особенности действия непрерывного и модулированного низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ на клетки иммунной системы - нейтрофилы мыши - вносят определенный вклад в решение вопроса о механизмах рецепции этого вида излучения. На основании полученных результатов в качестве возможных мишеней действия

низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ в нейтрофиле можно рассматривать системы связанных биохимических реакций, включенных в процесс генерации активных форм кислорода при активации респираторного взрыва. Эти системы связанных биохимических реакций высоко чувствительны и избирательны как к несущей, так и к модулирующей частотам излучения.

Установленная пороговая зависимость эффектов от величины ПППЭ излучения, эффективность действующего излучения при малых значениях ПППЭ (1 - 150 мкВт/см2) указывают на нетепловую природу обнаруженных эффектов непрерывного и модулированного ЭМИ КВЧ на функциональную активность нейтрофилов в условиях нашего эксперимента.

Впервые получены экспериментальные данные,

свидетельствующие о сильной зависимости эффектов непрерывного ЭМИ КВЧ от величины магнитной индукции постоянного магнитного поля, в условиях которого проводят облучение биологического объекта, что открывает новые возможности для построения теории взаимодействия ЭМИ КВЧ с живыми системами.

Полученные результаты проведенной экспериментальной работы могут оказаться полезными в экспериментальной и клинической медицине, в разработке научно-обоснованных методов КВЧ-терапии.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1. Биологические эффекты ЭМИ КВЧ

Электромагнитное излучение с частотами 30-300 ГГц относится к миллиметровому диапазону длин волн, что соответствует длинам волн в свободном пространстве 10-1 мм. Колебания указанных частот называют крайневысокочастотными.

К настоящему времени накоплено большое количество экспериментальных данных, которые указывают на то, что ЭМИ КВЧ низкой интенсивности может оказывать существенное влияние на живые организмы, проявляющееся в модификации их функциональной активности, структурных изменениях. Несмотря на большое разнообразие обнаруженных биологических эффектов ЭМИ КВЧ, прослеживаются общие закономерности его действия на живые системы.

1.1. Основные закономерности взаимодействия ЭМИ КВЧ с биологическими объектами

а) ЭМИ КВЧ при действии на живой организм вызывает регистрируемые эффекты при плотности потока энергии ниже 10 мВт/см2. При такой низкой интенсивности излучения интегральный нагрев облучаемых объектов в эксперименте не превышает 0.1°С, то есть ЭМИ КВЧ низкой интенсивности не оказывает существенное энергетическое воздействие. В этом смысле говорят о нетепловой природе эффектов.

б) При превышении плотности потока энергии ЭМИ некоторой "пороговой" величины дальнейшее ее увеличение не влияет на величину биологического эффекта. То есть, эффекты ЭМИ КВЧ имеют пороговый характер: биологические объекты откликаются на действие излучения, начиная с некоторой величины плотности потока энергии, эффект слабо меняется с увеличением плотности потока энергии на несколько порядков.

в) Действие ЭМИ КВЧ не приводит к необратимым изменениям в организме, как, например, это наблюдается в случае ионизирующего излучения [Девятков Н.Д., 1991].

г) Частотнозависимый характер взаимодействия КВЧ-излучения с биологическими объектами. Частотная зависимость эффектов напоминает по форме резонансную характеристику колебательного контура. По аналогии с этим обычно говорят о резонансных эффектах ЭМИ КВЧ. В экспериментальных исследованиях наблюдается обычно несколько резонансных полос отклика объекта на воздействие, ширина этих полос может быть меньше 150-200 МГц [Голант М.Б., 1989].

д) В биологических эффектах мм-излучения исключительно важная роль принадлежит молекулам воды. Вода является основным компонентом мягких тканей, а внутренняя среда организма представляет собой водные растворы низкомолекулярных и высокомолекулярных веществ либо суспензий клеток и липопротеидов в упомянутых выше растворах. Согласно современным представлениям вода является неотъемлемым структурным компонентом биологических мембран [Smith С., 1988].

Вода является сильным поглотителем ЭМИ КВЧ. Такое свойство молекул воды объясняется тем, что частоты вращательных движений полярных молекул воды в значительной степени приходятся на область

миллиметровых и субмиллиметровых длин волн [Новскова Т.А. и Гайдук В.И., 1996]. Поглощение излучения в водных средах связано с механизмом ориентационной поляризации молекул. Молекулы свободной и связанной воды в разной степени поглощают излучение, причем наиболее эффективно КВЧ-излучение взаимодействует с подвижными молекулами (их рассматривают как первичные мишени для излучения и как медиаторы, переносящие энергию излучения на биологически активные макромолекулярные структуры на поверхности клеток).

В экспериментах на модельных системах, выполненных с помощью метода пэтч-кламп, обнаружено, что замена необлученного раствора на облученный в камере, содержащей фрагмент плазматической мембраны, приводит к тем же изменениям в функционировании каналов, что и прямое облучение системы мембрана-раствор [Fesenko Е. et al., 1995]. Это может свидетельствовать о важной роли воды в рецепции мм-излучения биологической системой.

На поглощение ЭМИ КВЧ водой заметное влияние оказывают и растворенные в ней вещества. С этим связан различный характер поглощения излучения, как качественный, так и количественный [Девятков Н.Д., 1982; Завизион В.А. и др., 1989].

е) Широкое использование ЭМИ КВЧ в медицинской практике для диагностики, лечения и профилактики большого спектра заболеваний. Методы КВЧ-терапии используют в гастроэнтерологии [Khabarova N. et al., 1996], онкологии [Lian N.V. & Votoropin S.D., 1996], для лечения сердечно-сосудистых заболеваний, в клинике послеоперационных состояний и других медицинских областях [Rojavin М. & Ziskin М., 1998]. Отмечено, что наиболее эффективно применение

методов КВЧ-терапии в совокупности с традиционными методами лечения: лекарственная терапия, рентгеновское излучение и другие.

Общность основных закономерностей действия ЭМИ КВЧ на биологические объекты может свидетельствовать о том, что излучение оказывает влияние на некоторые универсальные процессы, регулирующие жизнедеятельность.

1.2. Действие непрерывного ЭМИ КВЧ на биологические системы

Исследование влияния ЭМИ КВЧ на биологические объекты было начато в 60-е годы. К настоящему времени накоплено большое количество экспериментальных данных, свидетельствующих об эффективном действии КВЧ-излучения на живые системы. Исследования проводятся на всех уровнях организации биологических систем: от изучения специфической активности различных макромолекулярных субмембранных структур до динамики развития популяций микроорганизмов и функционального статуса человеческого организма. ЭМИ миллиметрового диапазона длин волн могут оказывать сильное направленное влияние на характер развития и жизнедеятельности биологических систем. Важным параметром ЭМИ КВЧ, используемого в исследованиях, является его энергетичность. Обращает на себя внимание тот факт, что КВЧ-излучение эффективно при интенсивностях значительно ниже 10 мВт/см2, так называемых нетепловых. Существенно, что эффекты слабо изменяются при вариациях плотности потока энергии (ППЭ) в пределах нескольких порядков величин и возникают при очень низких значениях ППЭ.

Анализ экспериментальных данных показывает, что одним из проявлений действия непрерывного ЭМИ КВЧ на живые системы является выраженная частотная зависимость эффектов. Литературные данные свидетельствуют об острорезонансном характере биологического действия КВЧ-излучения, который заключается в том, что эффект наблюдается в узких интервалах частот используемого излучения. Эти узкие полосы частот излучения, при которых регистрируется ответ биологической системы на облучение, могут соседствовать с частотными интервалами, в которых система остается индифферентной к действию излучения.

Экспериментальные данные, приводимые в литературе, позволяют говорить о биомембранах как своеобразных детекторах ЭМИ. Практически все функции клеток опосредованы биологическими процессами