CC BY
41
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА НА МЕМБРАННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭРИТРОЦИТОВ
1 1 1 л
А.В. Дерюгина , Л.В. Ошевенский , М.Н. Таламанова , А.И. Цветков , М.А. Шабалин1, Ю.Н. Хламова1, С.С. Куваева1, В.Н. Крылов1
1ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского», Нижний Новгород, Россия
ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук» (ИПФ РАН)», Нижний Новгород, Россия
Abstract
Studied the change in electrophoretic mobility of erythrocytes of blood of rats and the concentration in them of malonic dialdehyde under the action of a THz gyrotron with a frequency of 263 GHz. It is shown that under the action on blood
л
of low-intensity (0,1-20 mW/cm) radiation electrophoretic mobility of erythrocytes was decreasedwith gradualincrease, whereas the concentration of
л
malonic dialdehyde was increased at a lower intensity (0,5 to 1 mW/cm) and
л
decreased at higher (5 to 20 mW/cm ).
Key words: terahertz range, electromagnetic radiation, electrophoretic mobility of erythrocytes, malonic dialdehyde
Изучено изменение электрофоретической подвижности эритроцитов крови крыс и концентрации в них малонового диальдегида при действии терагерцового излучения гиротрона с частотой 263 ГГц. Показано, что при действии на кровь низкоинтенсивного (0,1-20 мВт/см ) излучения электрофоретическая подвижность эритроцитов уменьшалась с постепенным ростом данного показателя при увеличении мощности воздействия, тогда как
концентрация малонового диальдегида повышалась при меньшей
2 2 интенсивности (0,5-1 мВт/см ) и снижалась при большей (5-20 мВт/см ).
Ключевые слова: терагерцовый диапазон, электромагнитные излучения, электрофоретическая подвижность эритроцитов, малоновый диальдегид
Проблема защиты организма от повреждающего действия внедряемых в практику жизнедеятельности человека новых устройств, генерирующих электромагнитные излучения (ЭМИ), стоит так же остро, как и поиск новых методов и средств терапии и профилактики распространенных заболеваний с
применением ЭМИ. В этом плане освоение ЭМИ терагерцового диапазона (область частот от 0,1 до 10 ТГц с длинами волн от 3 до 0,03 мм), бурно развивающееся в последнее десятилетие в связи с налаженным производством соответствующей аппаратуры (лазеры, гиротроны и др.), делает необходимым исследование влияния этого частотного диапазона на организм человека и животных. Выявлено, что этот диапазон (при малых мощностях, не вызывающих нагрева тканей) обладает рядом специфических особенностей: в этом диапазоне находится большое число линий колебательных и колебательно-вращательных переходов больших молекул, в том числе органических, оно обладает достаточно высокой проникающей способностью и др. [1, 3].
Между тем в литературе пока нет надежных исследований, раскрывающих механизмы этих молекулярных превращений на уровне систем, органов и клеток живого организма. Важный вклад в решение указанной проблемы может быть внесен пониманием механизмов модификации мембран клеток при действии ЭМИ. Состояние мембран во многом определяет протекание физиологических процессов и тем самым является исходным звеном в сложной цепи приспособительных реакций на всех уровнях организма. В этом плане эритроцитарные мембраны клеток крови представляют собой удобный объект исследования, поскольку отражают общие принципы структуры и функции мембран клеток всех тканей организма. Ранее нами установлен, что одной из показательных характеристик функционального состояния мембран является электрофоретическая подвижность, которая отражает изменения электрокинетических характеристик клеток крови при стрессовых воздействиях и нарушениях функций организма разного патогенеза [5, 6]. Поэтому представляло интерес изучение электрофоретической подвижности изолированных эритроцитов (ЭФПЭ) при действии на них ЭМИ-излучения данного диапазона частот. Учитывая роль метаболических изменений в обеспечении морфо-функционального состояния эритроцитов, соответственно, их заряда, представлялось важным также изучить сопряженность изменения ЭФПЭ с изменением метаболических процессов в эритроцитах, например, перекисного окисления липидов (ПОЛ).
Цель исследования: изучить действие низкоинтенсивного ЭМИ терагерцового излучения гиротрона с рабочей частотой 263 гГц на электрофоретической подвижности эритроцитов и концентрацию в них малонового диальдегида (МДА).
Материалы и методы
Объектом исследования служила кровь нелинейных белых крыс. Облучение суспензии эритроцитов крови крыс проводили дозированным по мощности излучением, источником которого служил автоматизированный микроволновый комплекс на базе гиротрона с рабочей частотой 263 ГГц, разработанный и изготовленный ИПФ РАН-ЗАО НПП ГИКОМ, обеспечивающий как непрерывный, так и импульсный режимы генерации
[7, 8].
Схема экспериментальной установки (вид сверху) приведена на рис. 1. Микроволновое излучение, формируемое встроенным квазиоптическим преобразователем рабочей моды сверхразмерного резонатора в узконаправленный волновой пучок, направлялось на пластиковые пробирки, установленные в специальном держателе из тефлона, что обеспечивало минимальное искажение сформированного потока "пустой" (в отсутствии крови) системой. Выбранный режим работы микроволнового комплекса, обеспечивал мощность излучения гиротрона около 1 Вт.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки (вид сверху)
Выбор положения пробирки в держателе позволял регулировать плотность мощности СВЧ излучения, падающего на образец, в пределах 0,1 -20 мВт/см2.
На рис. 2 представлены изображения, полученное с помощью тепловизионной камеры, которые иллюстрируют расположение пробирок в СВЧ пучке.
Образцы облучались СВЧ импульсами длительностью 200 мс сериями по 300 импульсов со скважностью У, таким образом, что суммарное время облучения составляло 1 мин. Выбор импульсного режима обусловлен стремлением снизить тепловое воздействие на исследуемый объект. Температура образцов оставалась постоянной с точностью 0,2°С за время сеанса облучения, что контролировалось с помощью тепловизионной камеры.
Продолжительность облучения сопоставима с применяемыми в медицине длительностями сеансов физиопроцедур, а выбранная частота излучения является одним из мировых спектроскопических стандартов, применяемых в ЯМР-спектрометрах высокого разрешения. Контролем служила кровь крыс, не подвергавшаяся ЭМИ - воздействию.
После облучения используемые в опытах эритроциты трижды отмывали 0,85% раствором хлористого натрия, центрифугируя 10 мин при 1500об/мин. Измерение ЭФПЭ проводили методом микроэлектрофореза, регистрируя
время прохождения эритроцитов расстояния 10 мкм в трис-НО буфере с рН 7,4, при силе тока 8 мА. Величину ЭФПЭ определяли по формуле: № S/TH, где S - расстояние, на которое перемещались клетки, Т - время перемещения клеток на расстояние S, Н - градиент потенциала. Величину градиента потенциала определяли по формуле: Н=^%, где I - сила тока, g - поперечное сечение камеры, % - удельная электропроводимость среды.
а)
б)
#1 Лг
! !
V I I
155 мм
Рис. 2. а) Тепловизионное изображение нагретых пробирок с водой, иллюстрирующее облучение образцов пучком (отсутствуют центральная пробирка и крайние пробирки в ряду, ближнем к выходному окну
генератора);
б) расположение пластиковых пробирок с образцами в гауссовом пучке (тепловизионное изображение, полученное на экране из термобумаги).
Интенсивность ПОЛ определяли по содержанию МДА в эритроцитах, концентрацию которого определяли методом, основанным на способности молекулы МДА в кислой среде при температуре 90-100°С реагировать с двумя молекулами тиобарбитуровой кислоты с образованием окрашенного триметинового комплекса [2].
Результаты и обсуждение Результаты проведенных исследований показали, что ТГц-облучение суспензии эритроцитов импульсным излучением (суммарная длительность облучения - 1 мин.) вызывало замедление ЭФПЭ относительно контрольных значений при минимальной мощности излучения (0,5 мВт/см ) с постепенным ростом данного показателя при увеличении мощности воздействия. В отличие от этого, концентрация МДА при большей плотности мощности (5-20 мВт/см ) снижалась относительно значений контроля, тогда
о
как при меньшей (0,5-1 мВт/см ) повышалась.
Анализ динамики ПОЛ в эритроцитах выявил зависимость между степенью изменения концентрации МДА в клетках и вектором ЭФПЭ. Результаты свидетельствуют, что снижение ЭФПЭ сочеталось с активацией процессов ПОЛ при действииТГц-облучения. Снижение ЭФПЭ, характеризует уменьшение отрицательного поверхностного заряда эритроцитов, что, в свою очередь, может быть обусловлено
перераспределением заряженных группировок по глубине гликокаликса. Можно сделать заключение, что уменьшение ЭФПЭ происходит на фоне оксидативных изменений в липидах. В частности, нами показано, что снижение ЭФПЭ обычно сопровождается усилением процессов ПОЛ [4, 9, 10].
Образование оксирадикалов и накопление ПОЛ в мембранах инициируют каскад стереотипных биохимических реакций в субпопуляции наиболее чувствительных клеток на повреждающие воздействия. В связи с этими событиями наблюдаются прогрессирующие изменения липопероксидации, вызываемые облучением клеток в малых дозах. При дальнейшем возрастании величины действующего фактора и достижении определенного дозового порога, происходит снижение уровня ПОЛ. Можно предположить, что снижение ПОЛ при возрастающих дозах воздействия обусловлено мобилизацией антиокислительного механизма защиты -активацией антиоксидантных систем клеток.
На основании проведенных исследований следует заключить, что при воздействии на эритроциты крови крыс терагерцового излучения гиротрона с частотой 263 ГГц в диапазоне плотностей мощности 0,1-20 мВт/см2, в них изменяется функциональное состояние мембран, приводящее к изменению электрокинетических и метаболических характеристик эритроцитов. Указанные изменения представляются значимыми для дальнейшего исследования данного диапазона частот гиротрона на предмет использования в физиологии и медицине.
Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ и Министерства промышленности и инноваций Нижегородской области в рамках научного проекта №15-44-02358 «р_поволжье_а».
Список литературы
1. Братман В.Л., Литвак А.Г., Суворов Е.В. Освоение терагерцевого диапазона: источники и приложения // Успехи физических наук. 2011. Т.181, №8. С.867-874.
2. Владимиров Ю.А., Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов вбиологических мембранах. М.: Наука, 1972. 252 с.
3. Киричук В.Ф., Цымбал А.А. Закономерности и механизмы биологического действия электромагнитных волн терагерцового диапазона. Саратов: Изд-во Саратовского государственного медицинского университета, 2015. 291 с.
4. Корягин А.С., Ястребова А.А., Крылов В.Н., Корнаухов А.В. Влияние миллиметровых волн на устойчивость мембран эритроцитов, перекисное окисление липидов и активность ферментов сыворотки крови // Миллиметровые волны в биологии и медицине. 2000. № 2. С. 23-27.
5. Крылов В.Н., Дерюгина А.В., Антипенко Е.А. Типовые изменения электрофоретической подвижности эритроцитов и их
фосфолипидный состав при разных заболеваниях // Клиническая лабораторная диагностика. 2009. № 9. С. 37-40.
6. Крылов В.Н., Дерюгина А.В., Гришина А.А. Изменение электрофоретической подвижности эритроцитов и липидного спектра их мембран при различных стрессовых воздействиях // Гематология и трансфузиология. 2010. Т.55, №3. С.40-43.
7. Glyavin M.Yu., Chirkov A.V., Denisov G.G. et al. Experimental tests of 263 GHz gyrotron for spectroscopy applications and diagnostic of various media // Rev. Sci. Instr. 2015. Vol. 86, N5. 054705.
8. Цветков А.И., Морозкин М.В., Глявин М.Ю. с соавт. Автоматизированный микроволновый комплекс на основе непрерывного 263 ГГц/1 кВт гиротрона // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2015. Т. 58, №9. С. 709719.
9. Крылов В.Н., Дерюгина А.В., Капустина Н.Б., Максимов Г.А. Влияние КВЧ-воздействия на электрофоретическую подвижность эритроцитов // Миллиметровые волны в биологии и медицине. 2000. № 2. С. 5-8.
10. Krylov V.N., Deriugina A.V., Pleskova S.N., Kalinin V.A. Apoptotic nature of erythrocyte hemolysis induced by low doses of ionizing radiation // Biophysics. 2015. T. 60, №1. P. 79-84.
