книги / Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами

Если патологический процесс локализован, а влиянию лекарст­ венного вещества подвергается организм целиком, то это не всегда са­ мый лучший способ лечения. Нередки случаи, когда концентрация ле­ карственных веществ оказывается повышенной вовсе не там, где это необходимо. Скорость транспортировки и концентрирования лекар­ ственных веществ в очаги поражения часто лимитируется не током крови или диффузией в межклеточной жидкости, но пониженной проницаемостью клеточных мембран в очаге поражения по отноше­ нию к тем или иным веществам. Клетки занимают в мягких тканях не менее 0,9 всего объема, поэтому доступной для веществ, не проникаю­ щих через клеточные мембраны, оказывается лишь 0,1 всего объема или меньше. При электрофорезе некоторые вводимые вещества ока­ зываются преимущественно в межклеточном пространстве. Это хоро­ шо видно на примере ионов йода в ткани клубня картофеля.

Ультразвук, увеличивая проницаемость клеточных мембран, увели­ чивает объем, доступный вводимому лекарственному веществу, и спо­ собствует увеличению его концентрации в единице объема облучаемой ткани. Это наглядно проявляется при использовании фокусированного ультразвука (2,8 МГц; 50 Вт/см2; 1 с). На образцах клубней окрашива­ ется только область, подвергнутая действию ультразвука, а мембраны клеток, расположенных в непосредственной близости к фокальной об­ ласти, не испытывают заметных изменений. Размеры окрашенной об­ ласти можно менять, варьируя интенсивность и время облучения.

Аналогичным способом можно концентрировать и некоторые хи­ мико-терапевтические препараты в тканях животных. Так, если в краевую вену уха кролика ввести краситель метиленовый синий, а ушную раковину того же или другого уха облучить ультразвуком (0,9 МГц; 0.6...2 Вт/см2; 5 мин), то через 20...30 мин в результате увели­ чения клеточных мембран краситель начнет концентрироваться в об­ лученной ультразвуком области. Она заметно потемнеет и останется более темной, чем окружающие ткани, в течение 120...150 мин.

Представляется весьма перспективным метод транспортировки водорастворимых лекарственных веществ в липосомах - микрокап­ лях лекарства, покрытых слоем липидов, вводимых в кровь - с после­ дующим высвобождением этих веществ из липосом в тканях, облучае­ мых ультразвуком. Вещества, содержащиеся в липосомах, высвобо­ дятся в тканях, прогретых ультразвуком, и попадут в клетки сквозь мембраны, проницаемость которых увеличена тем же ультразвуковым воздействием. Предполагается, что таким способом удастся увеличить локальную концентрацию лекарственных веществ до значений более высоких, чем достигнутые ранее исследователями, использовавшими для прогрева тканей микроволны.

Возможность локализации в тканях опухолей химико-терапевти­ ческих препаратов с помощью ультразвуковой гипертермии недавно

была доказана экспериментально. На молочных железах млекопитаю­ щих, которые являются придатками кожи, специализированными для секреции молока, ультразвук (1,5 МГц; 2 Вт/см2; 10 мин) также вызы­ вает увеличение проницаемости тканей. Концентрация предваритель­ но введенного в кровь коз супронала быстро повышается в молоке по­ сле облучения молочной железы ультразвуком. Введенный в молоч­ ную железу этих животных антипирин сразу же после ее ультразвуковой обработки обнаруживается в крови в значительно больших количествах, чем в контрольных образцах. Возможно, имен­ но повышением проницаемости клеточных мембран в тканях молоч­ ной железы под действием ультразвука обусловлена высокая эффек­ тивность фонофореза биоактивных пчелиных продуктов (прополис) при лечении маститов.

Широко используется в терапии способность ультразвука увели­ чивать проницаемость тканей глаза для различных веществ. Показа­ но, что фонофоретически (0,9 МГц; 0,3 Вт/см2; 5 мин) удается ввести в

камерную влагу глаза и такие вещества, которые без ультразвука туда не проникают (например, гепарин, дексазон). Однако не все вещества с одинаковой скоростью проникают в ткани под действием ультразву­ ка. Скорость переноса зависит от молекулярной массы, структуры мо­ лекул лекарственных веществ, их растворимости в воде и липидах, от интенсивности ультразвука, времени облучения, частоты и т. д.

В живом организме местные реакции, выражающиеся в изменениях тканевой проницаемости, могут сопровождаться реакциями на уровне всего организма. Так, ультразвук средних терапевтических интенсивно­ стей увеличивает проницаемость стенок сосудов во всем организме по отношению к р-липопротеидам крови. В тех же условиях увеличивается проницаемость стенок периферических кровеносных сосудов по отноше­ нию к трипановой сини и нейтральному красному. Ультразвук более вы­ сокой интенсивности (0,9 МГц; 2 Вт/см2; 3 мин) как в непрерывном, так и в импульсном режимах, существенно повышает проницаемость тканей сердечной мышцы лягушки по отношению к витальным красителям, а также проницаемость гематоэнцефалическою барьера к полуколлоидным красителям. Следовательно, изменение проницаемости тканей обу­ словлено не только локальным действием ультразвука, но и общей реак­ цией организма на ультразвук.

Параллельно с проницаемостью клеточных мембран под действи­ ем ультразвука изменяются электропроводимость и коэффициент по­ ляризации тканей, так как удельное сопротивление клеточных мем­ бран обратно пропорционально их проницаемости по отношению к ионам, если ионный состав среды остается неизменным.

Можно предположить, что самопроизвольные сокращения портняж­ ной мышцы лягушки, а также изменения сократительных свойств гладких и запирательных мышц теплокровных при облучении ультразвуком

(0,08.-2,25 Вт/см2; 1...3 МГц; 5 мин) связаны с деполяризацией клеточных мембран и подавлением биоэлектрической активности тканей.

Сопротивление биологических тканей электрическому току можно приближенно оценить, пользуясь известной формулой Велика-Горина:

где рь р2, рз - сопротивление межклеточной жидкости, мембраны и внутриклеточного содержимого соответственно;

Ф - величина, равная отношению суммарного объема клеток к объему всей ткани;

/ - геометрический фактор, для сферических клеток/ = 1,5; а - диаметр клетки. Поскольку для большинства мягких биологи­

ческих тканей Ф « 1 ввиду того, что объем межклеточного простран­ ства в них весьма мал по сравнению с общим объемом клеток, то урав­ нение существенно упрощается и принимает следующий вид:

Очевидно, большая часть эффекта уменьшения сопротивления биологических тканей под действием ультразвука обусловлена увели­ чением проводимости мембран, так как относительно небольшие ко­ личества перекиси водорода, азотной и азотистой кислот, образую­ щиеся в жидких средах при их обработке ультразвуком низких интен­ сивностей, не могут изменить проводимость клеточного содержимого и межклеточной среды.

Электропроводность ткани клубня картофеля увеличивается под

звука. Чем выше интенсивность, тем быстрее сопротивление ткани дос­ тигает минимальных значений. Активное сопротивление ткани - ли­ нейная функция интенсивности в интервале 0.2...2 Вт/см2. Импеданс - линейная функция интенсивности лишь в интервале 0,2... 1 Вт/см2.

Параллельно с изменением электропроводности тканей изменяет­ ся и коэффициент их поляризации:

■^1000

где Л'ю - комплексное сопротивление ткани, измеренное на частоте 10 кГц;

Хюоо - комплексное сопротивление ткани, измеренное на частоте 1000 кГц.

Связанный со способностью клеточных мембран разделять ионы коэффициент поляризации уменьшается при ультразвуковом облуче­ нии тканей, свидетельствуя о деполяризации мембран.

3.4.3. Действие ультразвука на кровь

Клетки крови в разбавленных суспензиях весьма чувствительны к ультразвуковому воздействию и начинают разрушаться при интен­ сивности 0,3 Вт/см2 (ЗРТА), совпадающей с порогом кавитации в воде (см. §§ 1.8; 1.13). Повышение концентрации клеток в суспензии замет­ но снижает скорость разрушения клеток под действием ультразвука, но, по-видимому, и в цельной крови вероятность появления пульси­ рующих газовых пузырьков не равна нулю, и, следовательно, не ис­ ключена возможность разрушения клеток.

Оставшиеся целыми клетки крови также могут испытывать сущест­ венные изменения при ультразвуковом воздействии. Так, акустические потоки, наблюдавшиеся визуально в крови полупрозрачных тропиче­ ских рыб, способны смыть макромолекулы с поверхности клеточных мембран, а вибропотенциалы, которые, судя по расчетам, достигают в крови величин, сравнимых с потенциалами клеток, могут изменить их электрические характеристики. В результате изменится проницаемость клеточных мембран, что обусловит, например, высвобождение аденозиндифосфата (АДФ) из эритроцитов, а это, в свою очередь, приведет к аг­ регации тромбоцитов.

Появление в кровяном русле клеток с измененными при ультра­ звуковом воздействии свойствами довольно быстро отразится на функционировании систем, контролирующих состав крови, так как, разнося клетки по всему организму, кровь как бы делокализует это воздействие. Если действовать ультразвуком (0,1... 1 Вт/см2; 0,88 МГц)

на краевую вену уха кролика, то за 5 мин воздействию подвергнется практически вся кровь. Известно, что объем крови в организме кроли­ ка массой 2,5 кг не превышает 150 см3. Сердце кролика в течение ми­ нуты перекачивает 600...700 см3 крови. Следовательно, в течение вре­ мени воздействия ультразвуком кровь несколько раз прокачивается через область, облучаемую ультразвуком.

Результаты такого воздействия весьма чувствительны для систем крови. Содержание гемоглобина, концентрация эритроцитов, ско­ рость их оседания, вязкость и свертываемость крови заметно меняют­ ся уже в процессе ультразвукового облучения. Эти изменения в пер­ вом приближении пропорциональны интенсивности ультразвука. По­ сле ультразвукового облучения крови исследованные параметры с течением времени возвращаются к исходным значениям. Время ре­ лаксации этих параметров увеличивается пропорционально величине изменений, вызванных ультразвуком, и, очевидно, зависит от состоя­ ния регулирующих систем.

При малых изменениях параметров, характеризующих кровь, они довольно быстро возвращаются к исходным значениям по закону, близкому к экспоненциальному. Если эти изменения выходят за опре­ деленный предел, то наблюдается явление «перерегулирования», и исследуемый параметр возвращается к исходному уровню, совершая относительно него несколько затухающих колебаний.

Содержание гемоглобина в крови заметно меняется под влиянием ультразвука и быстрее остальных параметров возвращается к норме. Следом за содержанием гемоглобина возвращаются к исходным значе­ ниям скорость свертывания крови и скорость оседания эритроцитов. Вязкость крови и концентрация эритроцитов позже всех возвращаются к норме, совершая затухающие колебания относительно исходных зна­ чений, если интенсивность ультразвука превышает 0.6...1 Вт/см2. При более высоких интенсивностях ультразвука (1.5...3 Вт/см2) изменения в крови наблюдаются в течение многих часов и даже суток. Отмечается фазный характер изменений - лейкоцитоз сменяется лейкопенией, эозинопения переходит в эозинофилию.

Сравнительные исследования, проведенные на кроликах разных пород, показали, что, несмотря на некоторые различия, реакция всех животных на ультразвуковое воздействие, судя по изменениям в кро­ ви, имеет общий характер.

Качественно сходные изменения в биохимических и гематологи­ ческих показателях наблюдали и в крови мышей, подвергшихся дей­ ствию ультразвука (2 МГц; Вт/см2; 200 с). Первичными, запускающи­ ми процессы регуляции при ультразвуковом воздействии на кровь мо­ гут быть эффекты, связанные с разрушением форменных элементов, с изменением структуры и свойств их поверхностей.

Так, сокращение времени свертывания крови, по-видимому, вызвано увеличением агрегационной способности тромбоцитов в ре­ зультате выброса АДФ из эритроцитов. Обратимое уменьшение числа эритроцитов в крови может быть обусловлено не только разрушением некоторого их количества, но и действием гемолизата. Гемолизат ин­ гибирует эритропоэз в первое время и активирует его в дальнейшем благодаря увеличению количества эритропоэтина, появление которо­ го связано с присутствием в крови продуктов распада эритроцитов. В связи с тем, что под действием ультразвука прежде всего разрушаются наименее стойкие, старые формы эритроцитов, можно предположить, что роль регуляторов эритропоэза принадлежит веществам, накапли­ вающимся в эритроцитах в течение их жизни - прежде всего метгемоглобину и окисленным формам мембранных липидов.

3.4.4. Клеточные мембраны в механизме биологического действия ультразвука

Изменения свойств клеточных мембран играют важную роль в механизме биологического действия ультразвука.

Известно, что изменение проницаемости клеточных мембран, приводящее к нарушению ионного состава внутриклеточной среды, обусловливает изменение в скоростях многих ферментативных реак­ ций. В результате в клетках возникают репаративные реакции, сопро­ вождающиеся новыми реакциями синтеза. Существенное влияние на состояние организма оказывает ультразвук, приводящий к разруше­ нию клеток, что особенно отчетливо проявляется в системе крови. Так, нарушение целостности весьма чувствительных к механическим воздействиям тромбоцитов приводит к высвобождению тромбопластина, нарушающего равновесие функционировании свертывающей - антисвертывающей системы крови, регулирующей параметры ее жид­ кого состояния.

Разрушение мембран эритроцитов при ультразвуковом облучении организма также приводит к существенным биологическим последст­ виям. Содержимое и осколки эритроцитов обнаруживаются в крови здоровых людей и без ультразвукового воздействия, хотя основной путь элиминирования эритроцитов - эритрофогоцитоз - заключается в поглощении эритроцитов клетками ретикулоэпителиальной системы, расположенной в печени и селезенке. Возможно, существенная роль в регуляции эритропоэза принадлежит метгемоглобину, содержание ко­ торого в эритроцитах к концу их жизни достигает 8... 10 %.

Старые эритроциты обладают наименее прочной мембраной и разрушаются под действием ультразвука в первую очередь. Это при­ водит к увеличению содержания в крови стимуляторов эритропоэза и последующему увеличению числа эритроцитов в ней. Такая реакция

подтверждает известный факт: разрушение зрелых эритроцитов сти­ мулирует образование новых клеточных форм.

3.4.5. Системная реакция организма на ультразвуковое воздействие

Высокочастотное ультразвуковое воздействие неспецифично для биологических систем. В них нет специализированных рецепторов для восприятия ультразвука как такового, поэтому реакция организма на ультразвук представляет собой сложную комбинацию отдельных реакций на тепловое, механическое, химическое и электрическое воз­ действие.

Вбиологических системах нет рецепторов радиации, электромаг­ нитных колебаний (исключая оптический диапазон) и некоторых других факторов внешней среды. Однако живые системы в ходе эво­ люции сталкивались с этими факторами и выработали специальные механизмы, позволяющие бороться с нежелательными последствиями их влияния, если энергия воздействия ненамного превышает средний для местообитания организма уровень.

Вотличие от указанных факторов ультразвук мегагерцового диа­ пазона никогда не влиял на живое в процессе эволюции. Это обуслов­ лено не только малой вероятностью условий, обеспечивающих в при­ роде достаточно длительное генерирование относительно высокочас­ тотного ультразвука, но и высоким коэффициентом поглощения ультразвука в воздухе.

Еще одно существенное отличие высокочастотного ультразвука от других факторов заключается в том, что ультразвуковое воздействие на организм (в клинике или эксперименте) всегда локально и затрагивает объем, во много раз меньший, чем объем всей биологической системы.

При радиационном поражении организма повреждению на каж­ дом уровне предшествует развитие «скрытых» для данного уровня процессов, протекающих на более низком уровне биологической инте­ грации, и проявляется на данном уровне, когда репарационные воз­ можности предыдущего уровня оказываются исчерпанными. Поэтому видимое радиационное поражение возникает после периода скрытого развития, и максимум наблюдаемых повреждений всегда отделен оп­ ределенным промежутком времени от повреждающего воздействия.

Реакция на ультразвуковое воздействие существенно сложнее, по­ скольку «скрытые» процессы идут параллельно на нескольких уров­ нях, и каждый из них, став наблюдаемым на более высоком уровне биологической организации, накладывается на те, которые уже проте­ кают на этом уровне и являются скрытыми по отношению к следую­ щему в иерархии структур уровню организации.

Реакция на ультразвук становится сходной с реакцией организма на ионизирующее излучение при длительном воздействии ультразву­

ком (см. подразд. 3.3.1) весьма малых интенсивностей (10 мВт/см2; 1 МГц; 14...30 суток), вызывающим изменения в основном на уровне функционирования клеточных мембран.

По типу взаимодействия ультразвук низких интенсивностей яв­ ляется скорее информационным, чем энергетическим фактором. Дей­ ствительно, нередки случаи, когда слабое ультразвуковое воздействие инициирует мощные последствия. Так, облучение ультразвуком (1...3 МГц; 0,5 Вт/см2; 6 мин) может привести к увеличению скорости циркуляции крови в тканях и повышению температуры организма на 0,5...1,5 °С. Для повышения температуры организма массой 70 кг на 0,5 °С (без учета теплообмена с окружающее средой) необходимо за­ тратить примерно 1,5 • 105Дж. Во время ультразвукового облучения организм в лучшем случае получит 2,3 • 103 Дж, т. е. в 100 раз меньше. Учет теплообмена между организмом и средой приводит к значитель­ но большим различиям.

После ультразвукового облучения в организме наблюдаются про­ цессы восстановления, протекающие на разных уровнях интеграции и характеризуемые различными временными параметрами. Как и в слу­ чаях с другими факторами, реакция на ультразвук существенно зави­ сит от интенсивности и длительности воздействия, а скорость восста­ новительных процессов относительно велика на низших уровнях ин­ теграции и мала на высших.

Под влиянием ультразвука (1МГц; 0,2...0,6 Вт/см2; 0.5...5 мин), как уже отмечалось, заметно увеличивается проницаемость клеточных мембран.

Наибольшие изменения в проницаемости наблюдаются в первые 30 мин после облучения, а через 6...10 ч проницаемость клеточных мембран не отличается от исходных значений. Аналогичные данные были получены ранее и при исследовании влияния на проницаемость клеточных мембран рентгеновского излучения (1кР). Достоверные изменения в проницаемости мембран клеток корешков пшеницы на­ блюдались в первые 4...30 мин после облучения. Изменения полно­ стью репарируются в течение 4...24 ч.

В связи с тем, что рентгеновское излучение взаимодействует со средой на молекулярном уровне, на основе сравнения вышеприведен­ ных результатов можно предположить, что элементарное взаимодей­ ствие ультразвука также осуществляется на уровне макромолекул или макромолекулярных комплексов. Последнее не исключает, однако, возможности влияния ультразвука на различные регуляционные сис­ темы, например, путем изменения условий передачи управляющих сигналов в результате деполяризации мембран, изменения градиентов концентраций различных веществ и т. д.

На более высоких, клеточном и тканевом, уровнях организации по­ следствия ультразвукового воздействия (0,9 МГц; 0.2...1 Вт/см2; 5 мин)

наблюдаются значительно дольше. Так, изменения в тканях коры над­ почечников и яичников животных в виде усиления холинеэстеразной активности тканевых гомогенатов, повышения гормональной активно­ сти яичников и некоторые другие наблюдались в течение 20 дней после ультразвукового воздействия интенсивностью 1 Вт/см2. Более интен­ сивный ультразвук (0,6 Вт/см2) вызывает значительные морфологиче­ ские изменения, наблюдаемые, по крайней мере, в течение 60 дней.

Ультразвук (0,6... 1 Вт/см2) в начальные сроки (0.5...4 ч) после воз­ действия снижает количество РНК в тканях зрительного анализатора, к третьим суткам количество РНК увеличивается до 80...120 % и к десятому дню практически не отличается от нормы. При 0,2 Вт/см2 количество РНК в тканях несколько увеличивается. Отличия обнару­ живаются через 2 ч после ультразвукового облучения, достигают мак­ симальных значений через сутки и в последующие 2...10 суток мало отличаются от нормы.

Приведенные результаты можно объяснить активирующим действи­ ем ультразвука низких интенсивностей (0,2 Вт/см2) и подавляющим действием ультразвука высоких интенсивностей. Не исключено, однако, что ультразвук (0,6...1 Вт/см2) вызывает задержку в клеточном делении (в интерфазе), в течение которой повреждения в клетках будут отрепарированы и не проявятся в виде серьезных дефектов в процессе митоза. Такой «морфостатический» эффект проявился и в уменьшении времени регенерации активно пролиферирующий ткани культи передней лапы тритона после воздействия слабым, диагностическим ультразвуком.

О высокой чувствительности активно пролиферирующих тка­ ней к ультразвуку свидетельствует и повышенная смертность эм­ брионов мышей, подвергнутых ультразвуковому облучению (1 МГц; 0,125...0,5Вт/см2; 3 мин) на 13-й день развития. Нарушения наблюда­ лись во всех случаях, а эффект нарастал пропорционально квадратному корню из интенсивности ультразвука. Аналогичные явления наблюда­ ются и при радиационном повреждении организма.

Наиболее длительное последствие обнаруживается на уровне цело­ го организма. Так, под действием ультразвука (0,8 МГц; 1,33 Вт/см2) в результате 15-минутной обработки возникают заметные изменения в структуре эпителия кожи человека. В коже, облученной в общей слож­ ности в течение 14 ч (за 7,5 месяцев), повышается кератоз. При этом до­ зы ультрафиолетового излучения, вызывающие на облученном ультра­ звуком участке кожи эритему, возрастают. Тщательные исследования, проведенные через 25 лет после ультразвукового воздействия, обнару­ жили пониженную чувствительность кожи на облученном участке к те­ пловому и механическому раздражителям.

Вся ультразвуковая терапия базируется на эффектах последейст­ вия. Именно эти эффекты, обусловленные ультразвуком специально подобранных параметров, приводят в организме к изменениям, спо­ собствующим ускорению нормализации тех или иных функций, вы­ здоровлению организма в целом.

Конечный результат ультразвукового воздействия существенно за­ висит от его интенсивности. Например, как повышенные, так и понижен­ ные моторная и секреторная функции желудка собак нормализуются под действием ультразвука (0,9 МГц; 5...10 мин), если его интенсивность не превышает 1 Вт/см2. У здоровых животных после ультразвукового воздействия функциональных изменений со стороны желудка не наблю­ дается. При интенсивностях, превышающих 1 Вт/см2, ультразвук во всех случаях подавляет моторную и секреторную функции желудка. Ультра­ звук невысоких интенсивностей (менее 1 Вт/см2; 0,9 МГц; 3 мин) усили­ вает моторику желчного пузыря. Увеличение интенсивности до 1 Вт/см2 приводит к обратному эффекту.

Приведенные данные, а также результаты многочисленных на­ блюдений, свидетельствующих об эффективном терапевтическом действии ультразвука невысоких интенсивностей, хорошо соответст­ вуют предложенным выше моделям и укладываются в рамки следую­ щих предположений.

Ультразвуковое воздействие низких интенсивностей (менее 1 Вт/см2) вызывает на разных уровнях структурной организации ор­ ганизма незначительные повреждения, легко репарируемые соответ­ ствующими системами. В здоровом, нормально функционирующем организме, процессы развития повреждений после ультразвукового воздействия полностью контролируются репарационными система­ ми, остаются в стадии «скрытых» процессов и не вызывают видимых (клинических) реакций со стороны основных систем организма.

Если в организме имеются порочные патогенетические круги, то процессы регуляции, активизированные ультразвуковыми поврежде­ ниями, в некоторых случаях способны разорвать эти круги, что приво­ дит, как правило, к нормализации нарушенных функций, так как нор­ мальное состояние организма более вероятно, чем квазистационарное патологическое.

3.5. УЛЬТРАЗВУК В ФИЗИОТЕРАПЕВТИЧЕСКОЙ ПРАКТИКЕ

Применение ультразвука существенно обогатило арсенал физио­ терапевтических методов. Используя ультразвук, оказалось возмож­ ным не только успешно бороться с некоторыми болезнями, но, воздей­ ствуя на здоровый организм, повышать его жизнеспособность и со­ противляемость неблагоприятным внешним условиям. Разработаны также новые ультразвуковые методы, позволяющие сделать хирурги­ ческие манипуляции практически бескровными.

Ультразвуковые методы не лишены, однако, недостатков, препят­ ствующих их широкому применению в медицинской и ветеринарной практике.