А.П. ВОЛОБУЕВ, И.М. ДОННИК Уральский НИВИ

Биологическое действие электромагнитного излучения проявляется на различных уровнях организации биосистем. Очевидно, что основой их ответных реакций на воздействие электромагнитным полем (ЭМП) являются процессы, происходящие на молекулярном, субклеточном и клеточном уровнях, от которых зависят состояние и функции более сложных в организационном смысле систем. Отклики на субклеточном и клеточном уровнях определяют изменения в функциональном и морфологическом состоянии тканей, органов и в целом систем биообъектов.

Первичные субклеточные и клеточные реакции, возникающие в организме в ответ на действие ЭМП, сопровождаются включением системных физиологических механизмов адаптации, выраженность которых определяется параметрами ЭМП, уровнем организации биообъекта и его функциональным состоянием. При длительных воздействиях возможна физиологическая адаптация к ЭМП малых параметров, приводящих к функциональным откликам. В то же время при сильных воздействиях наблюдают перенапряжение адаптационно-компенсаторных механизмов, нарушение обмена и ферментативной активности, гипоксию, дистрофию, некроз клеток. Таким образом, необратимое воздействие неионизирующих излучений в отличие от ионизирующих, является пороговым, при этом пороговые характеристики ЭМП многопараметричны [6].

Формирование биологического действия ЭМП на биообъект можно разделить на 3 этапа: первичное воздействие, рецепция биообъекта результатов его действия и ответная реакция биообъекта. Последний этап имеет фазный характер. В начальный период развивается системная реакция активации внутритканевых процессов, направленная на повышение резистентности организма. В дальнейшем при увеличении срока воздействия фаза активации сменяется фазой угнетения. Таким образом, интенсивность электромагнитного излучения может оцениваться условием равновесия между действующим фактором и структурно-адаптационным откликом клеточного гомеостаза. Такое равновесие не наступает при относительно высоких, неадекватных интенсивностях, что приводит к деструкции и гибели клетки. Адекватные воздействия усиливают процессы клеточной биоэнергетики и метаболизма, что при патологических нарушениях механизмов регуляции способствует их восстановлению.

В связи с различием в строении тканей их ответные реакции отличаются на воздействие ЭМП одинаковых параметров сначала функциональными, а затем морфологическими изменениями [8].

Специфика механизмов воздействия ЭМП на биообъекты в существенной мере определяется его частотой. Реакции на электромагнитное излучение зависят от модульно-временных характеристик поля. Такая зависимость объясняется тем, что на всех уровнях организации биологическая система функционирует в режиме автоколебаний.

При высоких частотах основной эффект воздействия - термический. Повышение температуры объекта обусловлено возбуждением финитных движений ионов - токов смещения и колебаний звеньев полярных макромолекул.

При низких частотах (< 1 кГц) электрическая составляющая ЭМП не проникает вглубь клетки, а экранируется клеточной мембраной. Выделяемое при этом за счет токов в межклеточной жидкости тепло не превышает мощности рассеивания тепловой энергии биологической ткани - термический эффект отсутствует.

Важнейшие биологические ритмы клеточного и системных уровней находятся в диапазоне низких и инфранизких частот. Это допускает резонансные условия для полей соответствующих диапазонов, воздействие которых на биосистему в существенной мере обусловлено магнитной составляющей.

Низко- и инфранизкочастотные ЭМП широко применяют в клинической практике. С начала 80-х годов прошлого века созданы и активно разрабатываются физиотерапевтические устройства, использующие ЭМП в терапевтических целях. Поскольку электрическая составляющая ЭМП этих диапазонов не проникает в клетки ткани, экранируется клеточными мембранами, то такое воздействие определяется как магнитотерапия. Как правило, в медицине используют малопараметрические поля, допускающие только подпороговое воздействие (при сосудистых заболеваниях, патологиях нервной системы и т.д.). магнито-терапевтическая практика не фиксирует заметных необратимых изменений в клетках малоделящихся тканей [4].

Проникая в клетку, магнитное поле индуцирует расщепление электронных энергетических уровней атомов и молекул, вызывая синглеттриплетные переходы, что увеличивает вероятность и скорость химических реакций, происходящих через стадию парамагнитных состояний. Это характерно для реакции с участием радикалов, реакций рекомбинации, а также проходящих по схеме ферментативного переноса электронов - электронному каскаду, в частности по цепи конферментов в цикле Кребса. В результате активизируются сопряженные процессы окисления и фосфорилирования. Изменения направления и скорости химических реакций служат сигналами о необходимости коррекции нарушенного гомеостаза [2].

За счет обусловленных ЭМП вихревых токов ионов в межклеточной жидкости и цитоплазме изменяются трансмембранный потенциал и сила электростатического взаимодействия между слоями мембраны, происходит их изгиб и изменение расстояния между ними.

При совпадении частоты внешнего ЭМП и таковой мембраны возникает резонанс; резко увеличивается амплитуда её смещений и, как следствие, усиливаются обменные процессы.

В полях, индукция которых превышает ~10 мТл, плотность индуцируемых токов допускает возбуждение потенциала действия. В итоге также стимулируется метаболизм клетки.

Анализ биофизических механизмов воздействия ЭМП указывает, что ему в наибольшей степени подвержены клетки, находящиеся в стадии деления, в том числе эмбриональные и опухолевые.

Слоистое строение мембраны соответствует смектическому жидкому кристаллу. Нормальная клетка на разных стадиях развития имеет различную структуру мембраны: почти твердую, с упорядоченным строением гидрофобных хвостов фосфолипидов; жидкую со свободно переплетающимися хвостами фосфолипидов.

Различающимся структурам соответствует разная проницаемость клеточной мембраны. В результате, уровень активации обменных процессов неодинаков для малоделящихся тканей и тканей, находящихся в стадии деления, что обусловлено в том числе различием жидкокристаллического состояния клеточных мембран. Это обстоятельство допускает избирательность воздействия низкочастотного магнитного поля.

Преимущественная активация метаболических процессов в клетках опухолевых тканей и ускорение химических реакций в результате воздействия магнитной составляющей ЭМП являются основой для изучения возможности применения магнитотерапии в онкологии [5, 7].

Биофизические эффекты действия ЭМП позволили исследовать возможность управления состоянием и деятельностью биологических систем разного уровня путем вариации его параметров с выбором таких, которые обладают наибольшей биологической активностью. Максимальное воздействие оказывают низкочастотные импульсные сигналы, основными управляющими параметрами являются: форма импульса, его амплитуда, длительность и скважность. Серия импульсов формирует отклик, выраженный интенсификацией процессов клеточного дыхания и метаболизма, при адекватном воздействии и угнетении, вплоть до некрозов, при неадекватном. Воздействие является адекватным, если функциональное состояние клетки обеспечивает возможность восстановления её гомеостаза за время относительного покоя (паузы между импульсами). Минимальное значение паузы определяется рефлекторным периодом. Интенсивность воздействия зависит от крутизны переднего фронта импульса, которая максимальна для прямоугольных импульсов.

Следует иметь в виду, что прямоугольный импульс представляет волновой пакет - совокупность периодичных колебаний различных частот. Основные биоритмы клеточного и системных уровней находятся в инфранизкочастотном диапазоне ЭМП - 0,5-35 Гц. В результате прямоугольные импульсы допускают обеспечение резонансных условий воздействия по широкому спектру их механизмов.

Особенности воздействия импульсного ЭМП были использованы нами при лечении опухолей молочной железы у 16 беспородных собак в возрасте от 6 до 13 лет. У 7 из них диагностировали опухоли всех молочных желез, у остальных было поражено более одной железы. До начала лечения проводили пункционную биопсию с последующим гистологическим исследованием полученной ткани. У 5 собак опухоль была доброкачественной -фиброаденома, у 14 - злокачественной (низкодифференцированная аденокарцинома и высокодифференцированный протоковый рак).

Магнитотерапию проводили на стационарной авторской установке на основе программного управления, позволяющего варьировать параметрами импульсного ЭМП. Воздействие на опухоль осуществляли в инфранизко-частотном диапазоне частот путем формирования знакопеременных прямоугольных импульсов напряженностью не менее 20 мТл. Их формирование обеспечивалось специальным генератором, в схеме которого в качестве основных элементов используются катушки индуктивности. Их совокупность задает конфигурацию поля для локального однородного воздействия на полный объем опухолей [1].

При отработке методики подбором оптимальных параметров был апробирован дифференцированный режим воздействий импульсного ЭМП: подпороговый для здоровых тканей и надпороговый - для опухолевых [3]. Процедуры проводили ежедневно в тече-ние 20-40 дней, длительность каждой составляла 3-4 мин, на 4-7-й день после курса магнитотерапии животных оперировали.

У всех животных до начала опыта, в середине и после курса воздействия ЭМП (перед операцией) брали пробы крови для определения морфологических, биохимических и иммунологических показателей.

В послеоперационной период проводили гистологическое исследование удаленных опухолей.

На основе гистологического анализа опухолей и прилегающих здоровых тканей установили следующие общие закономерности их изменения, обусловленные магнитотерапией:

во всех представленных материалах обнаруживали дистрофические изменения с переходом в некроз в виде размытых контуров клеток, вакуолизации ядер и цитоплазмы, очагово-диффузного кариопикноза и кариорексиса;

в доброкачественных опухолях дистрофические изменения составляли до 90 %, а с переходом в некроз - до 50 % от общего объема опухоли, в низкодифференцированной аденокарциноме - соответственно до 70 и до 40 %; в высокодифференцированном протоковом раке - до 60 и до 30-40 % от объема опухоли;

в окружающих (здоровых) тканях во всех исследованиях дистрофические изменения (повреждения) были минимальными - не более 1-3%;

воздействие ЭМП на опухоли молочной железы было более выражено, чем на опухоли соединительной ткани;

при контрольных обследованиях (опухоли, не подвергшиеся воздействию ЭМП) вышеперечисленные изменения были малозначительными;

изменения во всех видах опухолей были более выражены при увеличении общего времени воздействия ЭМП.

При анализе данных лабораторных исследований значимых изменений показателей крови не выявили. Отметили лишь некоторое увеличение СОЭ к концу курса магнитотерапии по сравнению с данными полученными до начала лечения.

В конце курса магнитотерапии у животных появились некоторая вялость и слабость.

В послеоперационной период только у одной собаки наблюдали вторичное заживление (при высокодифференцированном протоковомраке). У всех животных со злокачественными опухолями через 12 мес рецидивов не было. В то же время у собак со злокачественными опухолями, которых оперировали без предварительного курса магнитотерапии, рецидивы опухоли отмечали через 3-6 мес после операции в 80-90 % случаев.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бессонов Б.Г., Лавров Н.И., Волобуев А.П.. Способ воздействия на биологические объекты // Положительное решение ВНИИГПЭ, 5А 61 № 2/04 по заявке 4770110114 (131777).

2. Бугученко А.А., Сагадеев Р.З., Салихов К.М. // Магнитные и спиновые эффекты в химических реакциях. - Новосибирск. 1973.

3. Волобуев А.П., Донник И.М., Казанцева Н.В. // Научные основы профилактики и лечения животных. - Екатеринбург; Урализдат. 2005.

4. Загорская Е.А., Клемовицкий В.Я., Мельниченко В.П. и др. //Космическая биология и авиакосмическая медицина, 1990. Т. 24. № 3.

5. Каплан М.А., Никитина Р.Г., Климанов М.Е. // Российский онкологический журнал, 1998. № 5. э

6. Королев О.В. // Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физкультуры, 1997. № 5.

7. Литягин В.П., Добрынин Я.В., Рыбаков Ю.П. и др. // Российский онкологический журнал, 1996. № 2.

8. Сердюк A.M.//Врачебное дело. 1980. № 10.

журнал "Ветеринария" №01 2007