Повна версія

Головна arrow Медицина arrow УЛЬТРАЗВУК В МЕДИЦИНІ, ВЕТЕРИНАРІЇ, БІОЛОГІЇ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ОРГАНІЗМ - БІОЛОГІЧНА СИСТЕМА

Застосування ультразвуку в медицині, ветеринарії, біотехнології можна розглядати як спосіб управління біооб'єктами на будь-якому рівні ієрархії їх побудови: молекули з органели з клітки з з тканини з організми з популяція.

Хімічні методи управління мають на увазі вплив на нижчі молекулярні рівні з опосередкованим впливом на більш високі рівні.

Фізичні методи управління мають на увазі вплив на середні рівні з опосередкованим впливом як на нижні, так і на більш високі. При цьому позитивний результат на заданому рівні може супроводжуватися як позитивними, так і негативними ефектами на інших рівнях.

Ультразвукове вплив - типовий приклад управління біооб'єктами фізичним методом.

Для управління будь-яким Біооб'єкти необхідні: 1) бази даних про властивості об'єкта; 2) адекватна модель об'єкта; 3) методи контролю стану об'єкта (діагностика); 4) методи впливу на об'єкт для коригування його стану.

Ефективне управління біообьектамі, в тому числі за допомогою ультразвуку, можливо лише на базі комплексних досліджень впливу різних фізичних і хімічних факторів, з яких складається дія ультразвуку на різні рівні біологічної організації.

Результати дослідження механізмів дії ультразвуку на біомакромолекул і біомакромолекулярние комплекси, в тому числі цитоплазматические мембрани та клітинні органели, добре вкладаються в рамки фізико-хімічних, біохімічних і біофізичних закономірностей. Параметри, що характеризують чутливість біомакромолекул до ультразвуку, можуть помітно змінюватися, відображаючи зміни в їх складі і структурі. Ці зміни, в свою чергу, залежать від характеру фізіологічних і патологічних процесів в організмі. Однак змоделювати процеси на більш високих рівнях біологічної організації зі зміни властивостей макромолекул вельми непросто. Прикладом може служити квазіхіміче- ська модель ультразвукового впливу на ріст і розвиток клітинних популяцій організму.

У загальному випадку при аналізі життєдіяльності організму потрібно знати не тільки властивості окремих клітин, але, що не менш важливо, властивості клітинних популяцій, з яких складається організм.

Фази клітинного циклу

Мал. 3.1. Фази клітинного циклу:

G, - перша стадія підготовки; S - стадія синтезу; G 2 - друга стадія підготовки; М- стадія мітозу

Найбільш відомими клітинними популяціями організму людини (простору цих популяцій), крім міоцитів, є клітини крові - еритроцити, лімфоцити, лейкоцити, клітини тканини печінки (гепатоцити), клітини кісткової тканини (остеоцити).

Клітинними популяціями є мікроби, що поселяються в організмі, який стає для них «життєвим простором».

Побудова квазіхіміческіх моделі зростання клітинних популяцій починається з аналізу основних стадій клітинного циклу , що складається з чотирьох етапів: G - 1-й етап підготовки, S- синтез, G 2 - 2-й етап підготовки, М - мітоз (рис. 3.1).

Встановлено, що при заданих зовнішніх умовах тривалості клітинного циклу в цілому і його окремих стадій досить добре відтворюються і мають характеристики, властиві цій клітинної лінії.

Квазі хімічна модель клітинного циклу, починаючи з мітозу - поділу материнської клітини З т , може бути схематично представлена у вигляді ланцюга послідовних стадій-періодів:

Тут Ci - молода клітина безпосередньо після розподілу, С2, Сз, Ст - наступні її фази розвитку до мітозу. Фази Ci - С т представляють клітини чотирьох вікових груп.

Фактор розмноження / визначає число клітин, на які ділиться митотическая клітина З т . У найпростішому випадку / "2 (дві клітини).

Модель називається квазіхіміческіх тому, що взаємодія клітин і хімічних речовин (субстратів і токсикантів) в зростання популяції відображається у вигляді хімічних реакцій за допомогою ква- зіхіміческіх рівнянь. При цьому відображається біохімічна структура зростання популяції - її хімічні взаємодії з навколишнім середовищем.

Необхідною умовою зростання популяцій тих чи інших біологічних видів є наявність набору М поживних речовин (субстратів) для даного біологічного виду 5:

де M s - вектор набору субстратів (M s u М *) для біологічного виду S.

Спрощений опис розвитку популяції за відсутності токсикантів і зовнішніх джерел можна представити у вигляді укороченою ланцюга з двох стадій - зростання і ділення, доповнених стадією самоін- гібірованія.

Отримують двухстадийную модель зростання і ділення в присутності двох токсикантів (інгібіторів росту) Х у ХГ.

Приріст (або спад) чисельності популяції в результаті припливу (відтоку) із зовнішнього середовища ЇЇ субстратів і особин різних вікових груп враховано в наступних псевдохіміческіх рівняннях реакцій:

де З 1 - сукупність клітин різного віку до мітозу;

З т - митотические клітини;

З - клітини в анабіозі (спокої);

М, М 2 - субстрати;

р, b , g, a, dij, w, W 2 , г, п - кінетичні константи відповідних реакцій.

Припускаючи постійність кількостей субстратів Мі М 2 , кінетику ланцюгового зростання ізольованої популяції, що складається з особин З і Ст, можна описати системою з двох диференціальних рівнянь:

де ci, Cm - щільності популяцій зростаючих і зрілих особин; w - потужність зовнішнього джерела особин Сі a, b, g, p ~ кінетичні коефіцієнти автоінгібірованія, народження (розгалуження), загибелі та зростання популяційної ланцюга х e р + g).

У коефіцієнти р і b включені постійні кількості субстратів М і М 2 , / - коефіцієнт розмноження. Для розділилася митотической клітини / = 2. У загальному випадку значення / може бути як менше, так і більше 2. Коефіцієнти Ь х і р х є функціями від концентрації інгібіторів х ідгг:

де d - dux + dvixi

d2 = d2 Х + d22X2 .

Система рівнянь (3.4) - (3.5) для ізольованої популяції (ом = 0) має дві стаціонарних точки (0,0) і (СГ, з т "):

Перша точка (0,0) відповідає повного вимирання популяції. Другий точці відповідає гранична чисельність популяції (СГ + Cm).

Чисельності популяції в цілому і клітин в різних фазах розвитку в умовах ізоляції, відповідно до формул (3.7), є функціями вмісту інгібіторів в середовищі. Як випливає з співвідношень (3.6), з ростом вмісту інгібіторів Х і Х 2 зростають величини Ь х і р х . При цьому гранична чисельність клітин З і С2 падає і досягає нуля при рівності

Рівняння (3.5), як правило, визначає найбільш швидкі зміни в порівнянні з (3.4). Тому для митотических клітин Cm, складових зазвичай невелику частку популяції (проміжний продукт), може бути застосовано квазістаціонарне наближення. У цьому наближенні система (3.4), (3.5) зводиться до одного рівняння:

Тут К ~ з = (fbp-px b x ) / (a р х )

де К - гранична щільність особин З при w - 0.

Приватне рішення рівняння (3.9) при = 0 має вигляд

де А одно лівій частині рівняння, якщо при t = 0 величина з - - з - ci (0).

Двостадійна модель зростання популяції, описувана квазіхімі- чесімі рівняннями (3.2), дозволяє наочно реалізувати математичну формалізацію і отримати в явному вигляді аналітичні залежності, кількісно описують ультразвукові впливу.

Для обліку ультразвукового цітолізіса двухстадийную модель (3.2) слід доповнити стадіями

де g sv g Sm - кінетичні коефіцієнти вражаючої дії ультразвуку на клітини; Cd - лізірованіе клітини.

Модель (3.2) передбачає, що токсиканти діють тільки на зростаючі З і митотические З т клітини і не впливають на коефіцієнти зростання а , Ь, р. Очевидно, що ультразвук в залежності від його інтенсивності не тільки здатний привести до порушення механічної цілісності клітин, але і може помітно впливати на зазначені вище кінетичні коефіцієнти. При цьому можливо як зростання цих параметрів (ультразвукове промотування), так і їх зменшення (ультразвукове інгібування).

Очевидно, що при х - ХГ - 0 (відсутність інгібіторів) і re ^ i * О (ізоляція) кінетичні коефіцієнти dij прямого токсичної дії дорівнюють нулю. Але хімічними агентами можуть бути речовини, що утворюються при сонолізе. Система рівнянь (3.4) - (3.5) і рівняння (3.11) описують зростання популяції як окремий випадок, якщо замість кінетичних коефіцієнтів Ь, р і g використовувати коефіцієнти bs, ps і gn, що враховують вплив ультразвуку на ріст клітин.

Гранична щільність До особин З при ультразвуковому впливі

Експериментальні точки і теоретичні графіки функції t "/ (с), яка описує зростання числа клітин пивних дріжджів при різних інтенсивностях ультразвуку

Мал. 3.2. Експериментальні точки і теоретичні графіки функції t "/ (с), яка описує зростання числа клітин пивних дріжджів при різних інтенсивностях ультразвуку:

  • 1 - 0.5 Вт / см 2 ; 2 - 1.0 Вт / см 2 ; 3 - 1.5 Вт / см 2 ;
  • 4 - 2.0 Вт / см 2 ;

Залежно від характеру зміни коефіцієнтів b s і a s під дією ультразвуку величина Кі може як зростати, так і зменшуватися. При досягненні значення До = з 0 , де з 0 - початкова чисельність особин З 1, швидкість зростання популяції згідно (3.9) звертається в нуль. Зростання популяції відсутня, і її чисельність залишається на вихідному рівні.

Умови дії ультразвуку, відповідні До = З, є в цьому сенсі цито- статичними.

Графік функції (3.11) описує зростання біологічних популяцій під дією ультразвуку під час відсутності зовнішніх джерел особин. Дану залежність доцільно називати екозвуковой кривої росту популяції.

На рис. 3.2 наведені експериментальні точки і графіки, розраховані за рівнянням (3.11), що описують зростання числа клітин пивних дріжджів при ультразвуковому впливі. В межах точності вимірювань розрахункові криві узгоджуються з експериментальними даними при зміні чисельності клітин приблизно на шість порядків. Коефіцієнти: а 5 = 1,25 • 10 ~ 7 мл / год, b s = 0,8 ч _ | , Р 5 = 0,32ч ->, /, - 2.

При великому числі параметрів шляхом підбору неважко досягти згоди теорії і експерименту. Тому відповідність моделі і об'єкта легко перевірити теоретичними розрахунками з використанням експериментально визначених параметрів.

У представлених тут найбільш загальних рівняннях в явному вигляді містяться три невідомих параметра n s , pis і Кі, і всі вони залежать від умов дії ультразвуку. З огляду на це для побудови екозвуковой кривої необхідно мати чотири незалежних параметра - a s , bs, р $ і / 5 , що характеризують зростання популяції без токсикантів.

Коефіцієнт продовження ланцюга p s легко визначається по початковій логарифмічною фазі кривої зростання. Граничне значення чисельності особин на цій кривій (рис. 3.2) дорівнює відношенню K s = b s / a s . В цьому випадку коефіцієнти для рівняння (3.2) a s = 1,25 • 10 ~ 7 мл / год; bs - 0,8 ч- 1 ; р 5 = 0,32 год->; / 5 = 2.

Знаючи значення Ks, можна розрахувати фактор розмноження / 5 . Іншими словами, всі параметри екозвукових кривих зростання популяцій можуть бути експериментально визначені.

Обробка доступних експериментальних даних за описаною вище методикою показує, що розрахункові криві в межах точності узгоджуються з результатами вимірювань (див. Рис. 3.2).

Слід зазначити, що пропонована тут модель дозволяє описувати не тільки інгібування, але і стимуляцію (промотування) біологічного зростання. При цьому необхідно мати на увазі, що в квазі- хімічної концепції поняття «субстрат» включає не тільки біохімічні субстрати - речовини, а й організми.

Наприклад, для які споживають організмів - консументів - в якості субстратів можуть розглядатися відповідні виробляють організми - продуценти (пуголовок + личинка -> жабеня).

Рівняння, отримані на основі квазіхіміческіх моделей, дозволяють теоретично розраховувати ефекти спільної дії ультразвуку і хімічних речовин на динаміку популяцій, т. Е. Вирішити одну з найважливіших завдань теоретичної біології та екології.

Як кількісного критерію ефектів дії інгібіторів або промоторів можна використовувати відношення

де Т х , Т 0 - періоди індукції (інкубації) при дії агентів дп, Х 2 і в їх відсутність. Ці величини розраховують безпосередньо за рівнянням (3.11).

Розрахункова крива "доза - ефект» Et (xi, ХГ) для дріжджів задовільно узгоджується з експериментом (див. Рис. 3.2).

Біосистема в цілому зазвичай знаходиться в квазістаціонарному рівновазі, як, наприклад, кулька на дні ями з пологими стінами і ямками різного розміру, розташованими в різних місцях на стінках ями (рис. 3.3). Невеликі впливу можуть вивести систему зі стаціонарного стану, але захисні механізми повернуть її назад, подібно до того, як вплив на кульку в ямі виведе його з найнижчої точки, але під дією сил тяжіння кулька знову скотиться на дно. Така модель добре відома у фізиці як модель частинки в потенційній ямі.

Яма з кулькою - найпростіша модель можливих станів складної біологічної системи

Мал. 3.3. Яма з кулькою - найпростіша модель можливих станів складної біологічної системи:

1 - основний стан; 2 - квазіста- ціопарние стану

Якщо біосистеми довго залишається в деякому новому стані (в поглибленні на стінці основної ями), то в ній починають відбуватися структурні зміни (кулька як би продавлює дно нової ямки і збільшує її глибину), і ймовірність того, що система і далі буде перебувати в цьому стані, збільшується. У цьому випадку систему можна розглядати як нову, утворену з вихідної в результаті певної перебудови. Процеси перебудови поглиблюються з часом, і чим далі, тим складніше повернути їх назад і тим більше енергійні потрібні дії, щоб повернути систему в початковий стан.

Таке уявлення про біологічну системі не суперечить відомому факту, що хвороба тим легше піддається лікуванню, ніж раніше воно починається.

Живий організм як система реагує на обурення - сигнали з навколишнього середовища, прогнозує її можливі зміни в майбутньому і за допомогою своїх регуляторних механізмів так змінює свої

Області станів системи, що характеризується двома параметрами

Мал. 3.4. Області станів системи, що характеризується двома параметрами:

параметри, щоб підготуватися до оптимального функціонування в нових умовах.

Якщо систему характеризують два параметра - А і В, то в координатах А, В (на фазової площині) кожномустаном системи i буде відповідати зображає точка з координатами (A, Bi) (рис. 3.4). Сукупність усіх зображують точок складе область допустимих станів системи.

/ -область робочих станів; 2 -область допустимих станів

Характеристики будь-якої системи можуть змінюватися лише в обмежених межах, в області допустимих станів. Вихід зображає точки за межі області означає або руйнування системи, або її перетворення в нову систему з іншим набором параметрів. В реальних умовах параметри системи змінюються в більш вузьких межах, утворюючи область робочих станів, причому ця область, очевидно, цілком лежить в межах області допустимих станів.

Складні, в тому числі і біологічні, системи характеризуються не двома, а значно більшим числом параметрів. Тому стан системи визначається точкою в фазовому просторі, розмірність якого п дорівнює числу властивостей, які характеризують систему.

Наприклад, стан людини характеризується масою його тіла, температурою, тиском крові, швидкістю осідання еритроцитів і безліччю інших параметрів.

Вплив ультразвуку на біосистеми проявляється на всіх рівнях організації, починаючи з молекулярного і закінчуючи организменного, і залежить як від параметрів, що характеризують ультразвукове поле, так і від властивостей середовища і стану системи. Реакція біосистем на ультразвук тим складніша і важко передбачувана, чим складніше механізм її функціонування, чим вище її структурна організація.

 
<<   ЗМІСТ   >>