книги / Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами
..pdf2.6. АКУСТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ
Современная УЗ-техника позволяет не только визуализировать крупные внутренние органы животных, но и получать контрастные акустические изображения неокрашенных или непрозрачных микро объектов - клеток, тонких срезов мягких и костных тканей.
В акустической микроскопии используются ультразвук высокой частоты (10 МГц...З ГГц), так как, чем больше частота, тем короче длина волны, и, следовательно, тем выше разрешающая способность микроскопа. Действие акустического микроскопа основано на том, что рассеянные микрообъемом ультразвуковые волны создают аку стическое изображение, которое затем преобразуется в увеличенное, видимое изображение, соответствующее акустическому.
В последнее время было найдено решение, позволившее сущест венно уменьшить размеры акустического микроскопа и упростить ра боту на нем. Выносной блок, содержащий объектив и сканирующее устройство, подсоединен к компьютеру, реконструирующему акусти ческое изображение в двумерное или объемное видимое изображение неоднородностей в теле объекта. С помощью такого микроскопа мож но легко получать изображения структуры кожи, поверхностных и подповерхностных дефектов зуба.
Список литературы
1.Акатов ВА ., Париков ВА . Ультразвук и его применение в вете ринарии. М.: Колос, 1970.
2.Акопян В.Б. Лечит ультразвук. М.: Колос, 1983.
3.Андреев В.Г., Дмитриев В. Н., Пищальников Ю. А. и др. Наблюде ние сдвиговой волны, возбужденной с помощью сфокусированного ультразвука в резиноподобной среде / / Акустический журнал. 1997.
№2.
4.Белановский А.С. Основы биофизики в ветеринарии. М.: Агропромиздат, 1989.
5.Гавашели Т.В., Акопян В.Б., Макаров С.Н. Ультразвуковая рези стентность эритроцитов рыбы при ртутном отравлении / / Доклады ВАСХНИЛ. 1982. № 7.
6.Горский С.М., Карев И Д ., Терентьев И.Г. Ультразвуковое свече ние плазмы крови и диагностика рака / / Акустический журнал. 1989.
№2.
7.Журавлев А.И., Акопян В.Б. Ультразвуковое свечение. М.: Наука,
1977.
8.Маев Р.Г. Акустическая микроскопия. Состояние и перспекти вы / / Вестник АН СССР. 1988. № 2.
9.Паункснене МЛ., 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., Сареазян А.П. Нелинейная акустика и биомеди
цинские приложения / / Биомедицинская радиоэлектроника. 2000.
№3 .
12.Фридман Ф.Е., Гундороеа Р.А., Кодзое М.Б. Ультразвук в оф тальмологии. М.: Медицина, 1989.
13.Янсон ХА ., Дзете В.В., Татаринов А.М. Ультразвуковые иссле дования трубчатых костей. Рига: Зинатне, 1990.
ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СТИМУЛЯЦИИ И УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕРАПИИ
Стимуляцияорганизмасцелью повышенияего защитныхсил иэффектив ноголечениязаболеванийв идеалевозможналишьв том случае, когдапредельно яснымеханизмыего функционирования, природанарушенийв живыхсистемах при патологиях, последовательность реакций в организме при лечебных или стимулирующихвоздействиях.Наука сегодняеще далекаот пониманиямногих процессов, протекающихв больном издоровом организме, представляющем со бойочень сложную систему, состоящуюиз сложныхподсистем, объединенных многочисленнымисвязями.
Возможныдваметодаизучениятакихсистем - синтезианализ. Первый метод подразумевает исследование структуры биологических
макромолекулипроцессовнамолекулярном уровне, принциповпостроениянад молекулярных структур, формирования из этих структур клеточных органелл, клеток, тканей, а также принциповусложнения процессов при переходе от болеепростогоуровня структурнойорганизацииксложному.
Второй метод предусматривает исследование организма как целостной системы ианализструктур, способныхобеспечитьреакциюсистемы навнеш ниевоздействия.
Оба метода дополняют друг друга и поэтому терапевтическое и стиму лирующее действиеультразвука необходиморассматривать наразныхуров нях 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 с органеллы с клетки с с ткани с организмы с 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 отрица тельными эффектами на других уровнях.
Ультразвуковое воздействие - типичный пример управления био объектами физическим методом.
Для управления любым биообъектом необходимы: 1) базы данных о свойствах объекта; 2) адекватная модель объекта; 3) методы контро ля состояния объекта (диагностика); 4) методы воздействия на объект для корректировки его состояния.
Эффективное управление биообъектами, в том числе с помощью ульт развука, возможно лишь на базе комплексных исследований влияния раз личных 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 укла дываются в рамки физико-химических, биохимических и биофизиче ских закономерностей. Параметры, характеризующие чувствитель ность биомакромолекул к ультразвуку, могут заметно меняться, отра жая изменения в их составе и структуре. Эти изменения, в свою очередь, зависят от характера физиологических и патологических про цессов в организме. Однако смоделировать процессы на более высо ких уровнях биологической организации по изменению свойств мак ромолекул 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.
Наиболее известными клеточными попу ляциями организма человека (пространства этих популяций), помимо миоцитов, являются клетки крови - эритроциты, лимфоциты, лей коциты, клетки ткани печени (гепатоциты), клетки костной ткани (остеоциты).
Клеточными популяциями являются мик робы, 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: С1 - 1-й этап подготовки, 5 - синтез, Сг - 2-й этап подготовки, М - митоз (рис. 3.1).
Установлено, что при заданных внешних условиях длительности клеточного цикла в целом и его отдельных стадий достаточно хорошо воспроизводятся и имеют характеристики, присущие данной клеточ ной линии.
Квазихимическая модель клеточного цикла, начиная с митоза - деления материнской клетки Ст, может быть схематично представле на в виде цепи последовательных стадий-периодов:
С\ —■> Сч—> Сз —> Ст —*/Ст . |
(3.1) |
Здесь С\ - молодая клетка непосредственно после деления, Сг, Сз, Ст - последующие ее фазы развития до митоза. Фазы С\ - Ст пред ставляют клетки четырех возрастов.
Фактор размножения /определяет число клеток, на которые делит ся 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 отображается 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 биологи ческих видов является наличие набора М питательных веществ (суб стратов) для данного биологического вида 5:
М$ —(М$1, М$2,..., Мзе),
где М5- вектор набора субстратов (Мд, М«) для биологического вида 5. Упрощенное описание развития популяции в отсутствие токси кантов и внешних источников можно представить в виде укороченной цепи из двух стадий - роста и деления, дополненных стадией самоин-
гибирования.
Получают двухстадийную модель роста и деления в присутствии двух токсикантов (ингибиторов роста) Х\, Х%
С{ + М 1 |
-*Ст |
р |
Ст + М 2->/С1 |
Ь |
|
С\ |
|
§ |
|
|
(3.2) |
С\ +Ст -»Са +С, |
а |
|
С\ ~^Х^ |
—ьСХц |
|
С\ + Х 2 |
—>СХ}2 |
б 12 |
Ст+Х\ |
-*С Х 2) |
<12\ |
Сщ +Х 2 |
СХ22 |
$22 • |
Приращение (или убыль) численности популяции в результате при тока (оттока) из внешней среды ЕЕ субстратов и особей разных возрас тов учтено в следующих псевдохимических уравнениях реакций:
С, -^Е Е щ
ст -* е е |
Ы>2 |
|
М |
^ ЕЕ |
(3.3) |
п |
||
М 2 ^ Е Е |
ъ , |
|
где С\ - совокупность клеток разных возрастов до митоза; |
||
Ст- митотические клетки; |
|
|
Со - клетки в анабиозе (покое); |
|
|
М\, М2 - субстраты; |
|
|
р, Ь, §, а, йд, т , ®2, п, гг - |
кинетические константы соответствую |
|
щих реакций. |
|
|
Предполагая постоянство количеств субстратов М\, М2, кинетику цепного роста изолированной популяции, состоящей из особей С\ и Ст, можно описать системой из двух дифференциальных уравнений:
6с\/6{ = -р х с\ + / Ь ст+ ам ; |
(3.4) |
6ст/ 6(= р с \- Ъ х С т -ас\ст, |
(3.5) |
где с\, ст- плотности популяций растущих и зрелых особей; т - мощность внешнего источника особей С\\
а, Ь ,§ ,р - кинетические коэффициенты автоингибирования, рожде ния (разветвления), гибели и роста популяционной цепи (рх ~ р + &)■
В коэффициенты р и Ь включены постоянные количества субстра тов М\ и М г , / ~~коэффициент размножения. Для разделившейся ми тотической клетки / = 2. В общем случае значение / может быть как меньше, так и больше 2. Коэффициенты Ьх и рх являются функциями от концентрации ингибиторовх\ их?.
рх = р + 6\\ Ьх = Ь + 62, |
(3.6) |
где 6\ = 6 \\ х\ + (1\г х% 62 - с1г\ х\ + 6,22Х2 .
Система уравнений (3.4)-(3.5) для изолированной популяции (®1 = 0) имеет две стационарных точки (0,0) и (сГ, ст"):
сГ = (/Ьр - Ъхрх)/арх•, |
ст" =рхС1п/ / Ь . |
(3.7) |
Первая точка (0,0) отвечает полному вымиранию популяции. Вто рой точке соответствует предельная численность популяции (сГ+ ст").
Численности популяции в целом и клеток в разных фазах разви тия в условиях изоляции, согласно формулам (3.7), являются функ циями содержания ингибиторов в среде. Как следует из соотношений (3.6), с ростом содержания ингибиторов Х\ и Хг возрастают величины Ьх и рх. При этом предельная численность клеток С\ и Сг падает и дос тигает нуля при равенстве
/Ьр - Ьхрх = 0 . |
(3.8) |
Уравнение (3.5), как правило, описывает более быстрые измене ния по сравнению с (3.4). Поэтому для митотических клеток Ст, со ставляющих обычно небольшую долю популяции (промежуточный продукт), применимо квазистационарное приближение. В этом при ближении система (3.4), (3.5) сводится к одному уравнению:
йс\/<к = р\с\{К\ - с\)/{Кг + С1) + ®1. |
( 3 .9) |
Здесь К\ = С1= ( /Ь р - р х Ьх)/(а рх)\ |
|
Кг = Ьх/а, |
(3.10) |
где К\ - предельная плотность особей С\ при т = 0. |
|
Частное решение уравнения (3.9) при ге>\ = 0 имеет вид |
|
сГ» ( К - с 0 / = Л ех р (-(р (/- 1)), |
(3.11) |
где А равно левой части уравнения, если при ( = 0 величина а =
= СО= С1(0).
Двухстадийная модель роста популяции, описываемая квазихимичесими уравнениями (3.2), позволяет наглядно реализовать математи ческую формализацию и получить в явном виде аналитические зависи мости, количественно описывающие ультразвуковые воздействия.
Для учета ультразвукового цитолизиса двухстадийную модель (3.2) следует дополнить стадиями
С\ —» Сл |
Ду( |
Ст—>Са |
(3.12) |
где %5т - кинетические коэффициенты поражающего действия ультразвука на клетки; Са - лизированые клетки.
Модель (3.2) предполагает, что токсиканты действуют только на растущие С\ и митотические Ст клетки и не влияют на коэффициенты роста а, Ь, р. Очевидно, что ультразвук в зависимости от его интенсив
ности не только способен привести к нарушению механической цело стности клеток, но и может заметно влиять на указанные выше кине тические коэффициенты. При этом возможно как возрастание этих параметров (ультразвуковое промотирование), так и их уменьшение (ультразвуковое ингибирование).
Очевидно, что при х\ * хг = 0 (отсутствие ингибиторов) и = О (изоляция) кинетические коэффициенты сЦпрямого токсического дей ствия равны нулю. Но химическими агентами могут быть вещества, об разующиеся при сонолизе. Система уравнений (3.4)-(3.5) и уравнение (3.11) описывают рост популяции как частный случай, если вместо ки нетических коэффициентов Ь ,р и § использовать коэффициенты Ь$,р$ и
, учитывающие влияние ультразвука на рост клеток.
Предельная плотность К\ особей С\ при ультразвуковом воз действии
К\5 = (/-1 )Ь 5/а 5.
В зависимости от характера изменения ко эффициентов Ьз и а5под действием ультразву ка величина Ки может как возрастать, так и
уменьшаться. |
При достижении значения |
К\ =■Со, где Со - |
начальная численность особей |
Сь скорость роста популяции согласно (3.9) обращается в нуль. Рост популяции отсутству ет, и ее численность остается на исходном уровне.
Условия действия ультразвука, соответст вующие К\ = Со, являются в этом смысле цито-
статическими.
График функции (3.11) описывает рост биологических популяций под действием ульт развука в отсутствие внешних источников осо бей. Данную зависимость целесообразно назы вать экозвуковой кривой роста популяции.
На рис. 3.2 приведены эксперименталь ные точки и графики, рассчитанные по урав нению (3.11), описывающие рост числа кле ток пивных дрожжей при ультразвуковом воздействии. В пределах точности измерений расчетные кривые согласуются с эксперимен тальными данными при изменении численно сти клеток примерно на шесть порядков. Ко эффициенты: а$ - 1,25 • 10~7 мл/ч, Ь$ - 0,8 ч"1, р*“ 0,32 ч"1, / д- 2.
С Ю 7 мл 1
Рис. 3.2. Эксперимен тальные точки и теоре тические графики фун кции С =/(с), описы вающей рост числа кле ток пивных дрожжей при разных интенсив
ностях ультразвука:
1 - 0,5 Вт/см2; 2 -
1,0 Вт/см2; 3 - 1,5 Вт/см2;
4 - 2,0 Вт/см2;
При большом числе параметров путем подбора нетрудно достичь согласия теории и эксперимента. Поэтому соответствие модели и объ екта легко проверить теоретическими расчетами с использованием экспериментально определенных параметров.
В представленных здесь наиболее общих уравнениях в явном виде содержатся три неизвестных параметра Пз, р и и Ки, и все они зависят от условий действия ультразвука. С учетом этого для построения экозвуковой кривой необходимо иметь четыре независимых парамет ра - а5, Ьз, рз и /з, характеризующих рост популяции без токсикантов.
Коэффициент продолжения цепи р: легко определяется по началь ной логарифмической фазе кривой роста. Предельное значение числен ности особей на этой кривой (рис. 3.2) равно отношению Кз = Ь$/а $. В этом случае коэффициенты для уравнения (3.2) аз = 1,25 • 10-7мл/ч; Ьз= 0,8 ч-1; рз = 0,32 ч-1; /з = 2.
Зная значение Кз, можно рассчитать фактор размножения /з. 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 точно сти согласуются с результатами измерений (см. рис. 3.2).
Следует отметить, что предлагаемая здесь модель позволяет опи сывать не только ингибирование, но и стимуляцию (промотирование) биологического роста. При этом необходимо иметь в виду, что в квазихимической концепции понятие «субстрат» включает не только био химические субстраты - вещества, но и организмы.
Например, для потребляющих организмов - консументов - в каче стве субстратов могут рассматриваться соответствующие производящие организмы - продуценты (головастик + личинка —» лягушонок).
Уравнения, полученные на основе квазихимических моделей, по зволяют теоретически рассчитывать эффекты совместного действия ультразвука и химических веществ на динамику популяций, т. е. ре шить одну из важнейших задач теоретической биологии и экологии.
В качестве количественного критерия эффектов действия ингиби торов или промоторов можно использовать отношение
Ес (х\, XI) = (Тх - То)/То ,
где Тх, То - периоды индукции (инкубации) при действии агентов х\, хг и в их отсутствие. Эти величины рассчитывают непосредственно по уравнению (3.11).
Расчетная кривая «доза - эффект» Ес (х\, хг) для дрожжей удовле творительно согласуется с экспериментом (см. рис. 3.2).
Биосистема в целом обычно находится в квазистационарном рав новесии, как, например, шарик на дне ямы с пологими стенами и ямка
