Повна версія

Головна arrow Медицина arrow УЛЬТРАЗВУК В МЕДИЦИНІ, ВЕТЕРИНАРІЇ, БІОЛОГІЇ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

МЕХАНІЗМИ БІОЛОГІЧНОЇ ДІЇ УЛЬТРАЗВУКУ

Потік молекул через клітинну мембрану описується першим законом Фіка:

де D - коефіцієнт дифузії;

dc / dx - градієнт концентрації речовини.

У стаціонарних умовах dc / dx можна замінити відношенням різниці концентрацій сц - з до товщини мембрани:

де Р = D / 1 - коефіцієнт проникності мембрани.

Для молекул, диффундирующих крізь неї, цей коефіцієнт визначається товщиною мембрани і коефіцієнтом дифузії.

В реальних умовах шари розчину, що безпосередньо прилягають до мембрани, практично не перемішуються, отже, концентрація дифундують молекул в даних шарах може істотно відрізнятися від концентрації аналогічних молекул в об'ємі. Товщина цих так званих шарів Нернста змінюється від одиниць до сотень мікрометрів і залежить від властивостей поверхні та інтенсивності перемішування розчину. Сукупність власне мембрани з дифузійними шарами можна розглядати як ефективну мембрану, товщину якої визначають за формулою:

де ДДП і Лх2 - товщини дифузійних шарів по обидва боки від мембрани.

Потік через мембрану описується рівнянням

Тут Оефф - узагальнений коефіцієнт дифузії з прилеглими шарами:

ДеФФ - проникність;

с, С2 - концентрації молекул.

Під впливом ультразвуку величини ДДП і Д.гг істотно зменшуються в результаті інтенсивного перемішування розчину МІКРОПОТОК. Відповідно зменшується / еф і зростає потік речовин через мембрану.

Коефіцієнт дифузії в середовищі і дифузійних шарах також може змінюватися під дією ультразвуку, так як цитоплазма і прилегла до поверхні середовища клітини відрізняються вираженою тиксотропией, і вже при інтенсивності ультразвуку 40 мВт / см 2 , використовуваної в діагностиці, в'язкість клітинного вмісту істотно зменшується, а температура середовища трохи збільшується за рахунок поглинання ультразвукової енергії (див. § 1.3). Зростання температури середовища і зменшення її в'язкості приведуть до збільшення коефіцієнта дифузії в примембранних шарах, що зумовить збільшення потоку молекул неелектролітів через мембрани. Це може проілюструвати ефект прискорення транспорту цукрів через мембрани еритроцитів під дією ультразвуку з інтенсивністю 0,1 Вт / см 2 (див. § 3.2).

Шляхом звичайної дифузії через клітинні мембрани в клітку проникають найрізноманітніші сполуки. Крім води це незаряджені молекули багатьох розчинних у воді речовин, в тому числі багатьох складних лікарських препаратів. У той же час трансмембранний транспорт ряду життєво важливих для клітини речовин здійснюється спеціальними, присутніми в мембранах клітини переносниками. Такий транспорт по градієнту концентрації, що не вимагає витрати енергії, називають полегшеною дифузією.

При полегшеної дифузії, так само, як і у випадку простої дифузії, ультразвукові мікропотоки, перемішуючи середу, частково знімають дифузійні обмеження і прискорюють перенесення речовин. Це підтверджується прискоренням поглинання еритроцитами глюкози з інкубаційного середовища при опроміненні суспензії клітин ультразвуком з інтенсивністю 0,1 Вт / см 2 .

При активному транспорті перенесення молекул через мембрану здійснюється проти градієнта концентрації з витратою енергії. Дія ультразвукових мікропотоків знижує ефективність транспортування речовин. У цьому випадку потік частинок, наприклад іонів натрію, складається з двох складових:

де; ДІ ф - потік іонів Na * за рахунок простої дифузії;

у а т - потік іонів № *, активно транспортуються через мембрану.

Очевидно, що j m ф і / ат протилежно спрямовані і в стаціонарних умовах рівні. Під впливом ультразвуку j w ф збільшується, а у ат в кращому випадку не змінюється. В результаті порушується рівновага іонів на мембрані, змінюється її потенціал.

У цих міркуваннях не враховувався вплив ультразвуку на структуру самої мембрани. Тим часом, ультразвукові потоки здатні «змивати» з поверхні мембран біомакромолекул (див. §§ 1.10 і 3.2). Це змінює умови екранування зарядів на мембранах і впливає на їх проникність і умови дифузії іонів через мембрани.

Інтенсивні мікропотоки здатні порушувати цілісність клітинних мембран, через розриви в яких частково або повністю випливає вміст клітин. Цей випадок може розглядатися як граничний випадок зміни умов транспортування речовин через клітинну мембрану при ультразвуковому впливі.

При нагріванні за рахунок переходу енергії ультразвуку в теплоту різниця температур між центром клітини і її периферією при інтенсивності ультразвуку Вт / см 2 за розрахунками становить 10 ~ 3 К, а градієнт температур - 2 ... 5 град / см. Отже, в цих умовах виявляється можливим зміна швидкостей потоків речовин в результаті термодиффузионного перенесення як всередині клітини, так і через клітинну мембрану.

Потенціал Дебая (вібропотенціал), що виникає в суспензіях клітин і тканинах під впливом ультразвуку, використовуваного в терапевтичній практиці, досягає 10 мВ, т. Е. Величин, порівнянних зі значеннями потенціалів клітинних мембран.

При кавітації, коли інтенсивність ультразвукового випромінювання перевищує 0,3 Вт / см 2 , на клітинні мембрани поряд з ударними хвилями, енергійними МІКРОПОТОК і потенціалами Дебая, можуть впливати вільні радикали, азотна і азотистая кислоти, а також перекис водню.

Таким чином, зміна проникності клітинних мембран - універсальна реакція на ультразвукове вплив, незалежно від того, який з факторів ультразвуку, що діють на клітину, превалює в тому чи іншому випадку.

Порушення складу внутрішньоклітинного середовища і мікрооточення клітини не може не відбитися на швидкості біохімічних реакцій за участю ферментів, дуже чутливих до змісту в середовищі тих чи інших іонів, продуктів ферментативних реакцій і деяких інших речовин.

Підсумовуючи, можна запропонувати наступний механізм дії ультразвуку на клітини. Фізико-хімічні ультразвукові ефекти в середовищі (механічні, теплові, електричні, хімічні) - "порушення мікрооточення клітинних мембран (зниження градієнтів концентрацій різних речовин біля мембран, оборотна десорбція молекул з їх поверхні, зміна мембранного потенціалу, оборотне зменшення в'язкості внутрішньоклітинного середовища) -" зміна проникності клітинних мембран (прискорення дифузії, зміна ефективності активного транспорту, порушення цілісності мембран) -> порушення складу внутрішньо- і позаклітинної з їжі -е зміна швидкостей ферментативних реакцій в клітині (невелика активація і переважне придушення ферментативних реакцій в клітинах внаслідок зміни оптимальних для функціонування ферментів концентрацій речовин) -> розвиток репаративних реакцій в клітці, пов'язаних з синтезом інших речовин (синтез РНК і нових ферментів, що продукуються клітиною для компенсації виниклого нестачі в продуктах ферментативних реакцій) -> ...

З аналізу цієї схеми - результату істотних спрощень - слід, що специфічним в дії ультразвуку на біологічні системи є зміна мікрооточення клітинних мембран, що приводить до порушення процесів переносу речовин через мембрани. Подальша ланцюжок процесів може бути ініційована та іншими фізико-хімічними факторами, що приводять до аналогічних порушень, зокрема, до збільшення проникності клітинних мембран.

 
<<   ЗМІСТ   >>