Влияние широкополосных микроволн суб- и миллиметрового диапазонов на биохимический метаболизм в условиях тканевой экспериментальной ишемии in vivo

А.Г. Полякова, В.Л. Кузнецова, М.В. Преснякова

Ключевые слова: электромагнитное излучение; оксид азота; биохимический метаболизм; терагерцевый диапазон; тканевая ишемия.

Электромагнитное излучение (ЭМИ) с различными частотными спектрами широко внедряется в практическую медицину, что обусловливает дальнейшие исследования его влияния на развитие биохимических эффектов и возможного побочного действия на организм.

Цель исследования — оценка влияния курсового воздействия микроволн нетепловой интенсивности с различными широкополосными частотными диапазонами на параметры метаболического статуса животных в условиях экспериментальной ишемии кожного лоскута.

Материалы и методы. У крыс-самцов линии Wistar изучено изменение площади некроза дистальной части ишемизированного дорсального кожного лоскута и основных биохимических показателей в послеоперационном периоде на фоне облучения зоны затылочного бугра в диапазоне частот 53–78 и 110–170 ГГц.

Результаты. Наиболее выраженный сосудистый эффект зарегистрирован при воздействии ЭМИ 110–170 ГГц, в диапазоне которого располагаются спектры оксида азота и кислорода, что проявилось наименьшей зоной ишемии и некроза в лоскуте по сравнению с контрольной группой оперированных животных. У животных, не получавших облучения, после операции установлено повышение содержания глюкозы и общего холестерина, а также концентрации мочевины по сравнению с животными контрольной группы. Наиболее значимое гомеостазирующее действие на показатели биохимического метаболизма (общего билирубина, мочевины, общего холестерина и глюкозы) зарегистрировано при воздействии ЭМИ 53–78 ГГц.

Заключение. Воздействие микроволнами суб- и миллиметрового диапазонов в шумовом режиме излучения исполняет роль управляющих сигналов в развитии биологических эффектов в организме. О безопасности использования микроволнового облучения свидетельствует отсутствие отрицательного побочного действия на организм экспериментальных животных.

Развитие тканевой ишемии сопровождается выраженными нарушениями метаболического статуса, что является одной из ведущих причин неудовлетворительных исходов реконструктивно-восстановительного лечения. В качестве современного лечебного корригирующего физического фактора применяют низкоинтенсивное электромагнитное излучение (ЭМИ) субмиллиметрового (терагерцевого) и миллиметрового (крайне высокочастотного — КВЧ) диапазонов [1, 2].

Уникальность ЭМИ 30 ГГц–10 Тгц заключается в том, что этот диапазон, задерживаясь в плотных слоях атмосферы, не действует из космоса на биообъекты, чем обусловлено отсутствие адаптации к нему [3]. В то же время живые организмы сами генерируют микроволны и применяют этот «безпомеховый диапазон» в процессе межклеточных взаимодействий [4]. Отличительной особенностью ЭМИ данного диапазона частот является содержание в нем частотных молекулярных спектров излучения и поглощения (МСИП) эндогенных биорегуляторов (молекул-метаболитов): NO, O₂, H₂O, СО₂, СО, ОН- и других, а также частот межуровневых переходов больших органических молекул: ДНК, белка и других, что гипотетически должно повышать эффективность корригирующего воздействия [5, 6].

Один из механизмов лечебных эффектов терагерцевой терапии связывают с оксидом азота, который является вторичным мессенджером, вовлеченным во множество пато- и физиологических процессов (вазодилатацию, нейротрансмиссию, гемокоагуляцию, перекисное окисление липидов, а также регуляцию тонуса гладких мышц, репаративную регенерацию и т.д.), что проявляется развитием полифункционального, системного влияния на организм [7–9].

Последние исследования в области нетепловых (информационных) взаимодействий низкоинтенсивных микроволн с организмом позволяют сделать вывод о преимуществах использования шумовых широкополосных частотных диапазонов, которые влияют на структурные превращения больших органических молекул (усиливают образование петель в структуре ДНК), что может напрямую менять ход биохимических реакций в развитии метаболических эффектов [10, 11]. Есть мнение, что реакционная способность молекул, возбужденных терагерцевым квантом, на порядок выше, чем при возбуждении КВЧ-диапазоном [12].

Однако основным недостатком ЭМИ является возможность развития побочных эффектов и осложнений при использовании неадекватных частотно-энергетических параметров излучения, что может привести к угнетению физиологических реакций — вызывать не только дисфункциональные, но и деструктивные нарушения [13, 14]. Данный факт побуждает к проведению дальнейших научно-исследовательских работ для выяснения механизма действия и выбора наиболее безопасного режима излучения при разработке реабилитационных методов микроволновой терапии.

Цель исследования — сравнительная оценка влияния курсового воздействия микроволн нетепловой интенсивности с различными широкополосными частотными диапазонами на параметры метаболического статуса животных в условиях экспериментальной ишемии кожного лоскута.

Материалы и методы. Исследования проводили in vivo на 32 белых крысах-самцах линии Wistar массой 350–400 г. Все животные содержались в стандартных условиях вивария, в клетках, при свободном доступе к пище и воде, на рационе питания согласно нормативам ГОСТа «Содержание экспериментальных животных в питомниках НИИ» [15]. Нарушения микроциркуляции моделировали с помощью модифицированной методики выкраивания дорсального кожного лоскута. Это приводило к возникновению острого нарушения кровообращения в его дистальной части. Эксперименты проводили в соответствии с этическими принципами, установленными Европейской конвенцией по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и других научных целей (принята в Страсбурге 18.03.1986 г. и подтверждена в Страсбурге 15.06.2006 г.).

В ходе исследования были сформированы четыре группы животных. Контрольная группа состояла из интактных крыс (n=8). Остальным животным после выщипывания волосяного покрова было осуществлено оперативное вмешательство под внутримышечным наркозом (Золетил + Ксила). На спинке крыс выкраивали кожный лоскут на питающей ножке с осевым типом кровообращения, который фиксировали атравматическими швами. Это приводило к возникновению острой ишемии с образованием некроза в дистальной части лоскута, что позволяло использовать данную модель для изучения как положительного, так и отрицательного влияния физических факторов на «выживаемость» лоскута.

В послеоперационном периоде крыс распределяли на три опытные группы сравнения. В 1-й группе (n=8) после операции животные оставались под наблюдением, не получая каких-либо лечебных процедур. Крысам двух других опытных групп в течение 7 дней проводили курсовое 10-минутное воздействие ЭМИ с дозой 0,06 мДж на зону затылочного бугра рядом с основанием лоскута, где расположена проекция центра вегетативной регуляции, ответственного за развитие адаптационных реакций [16].

Животные, вошедшие во 2-ю группу (n=7), получали облучение ЭМИ с диапазоном частот 110–170 ГГц, в котором присутствуют МСИП оксида азота и кислорода. В 3-й группе (n=9) крысы получали аналогичное воздействие ЭМИ с частотным диапазоном 53–78 ГГц, где отсутствуют МСИП молекул-метаболитов.

Содержание животных после операционного вмешательства было одиночным. Данные клинического осмотра крыс фиксировали перед операцией, после нее, на 3-и и 7-е сутки облучения под контролем фотоархивирования. Площадь ишемических нарушений регистрировали с помощью наложения прозрачного разлинованного трафарета. Контроль динамики микроциркуляции в оперированном лоскуте осуществляли по данным тепловизионного (ТВ) метода с помощью тепловизора Thermo Tracer ТН-9100 WR (NEC, Япония) и лазерной доплеровской флоуметрии (ЛДФ) на лазерном анализаторе кровотока ЛАКК-М (НПП «Лазма», Россия). Наблюдение продолжалось до 10 сут после оперативного вмешательства, когда окончательно формировалась зона некроза с четкой линией демаркации.

В качестве источника низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ использовали серийно выпускаемый аппарат «АМФИТ-0, 2/10-01» с шумовым ЭМИ 53–78 ГГц (ООО «ФизТеx», Н. Новгоpод, Pоccия), а также экспериментальную модель, разработанную на его основе, с диапазоном частот 110–170 ГГц. По уровню мощности (1 мВт) и спектру сигнала генераторы приборов близки к собственным излучениям биообъекта, что резко снижает вероятность как близких, так и отдаленных побочных эффектов. Спектральная плотность мощности шума прибора (4∙10^–17 Вт/Гц) характеризуется высокой однородностью (±3 дБ) и обеспечивает терапевтически значимый уровень сигнала на всех резонансных частотах биообъекта, что предполагает бóльшую повторяемость и однозначность трактовки результатов воздействия [17]. В работе использовали цилиндрическую насадку аппарата таким образом, чтобы расстояние между концом волновода и объектом составляло 2–5 мм.

Забор крови для исследования показателей метаболизма осуществляли на 14-е сутки, когда начиналось отторжение некрозов; животных под наркозом путем декапитации выводили из эксперимента. Биохимическую оценку возможного неблагоприятного действия изучаемых физических факторов на организм проводили с применением методов клинической химии, данные которых официально признаны в качестве критериев токсических и повреждающих воздействий [18]. Определение метаболических параметров глюкозы, общего билирубина, мочевины, креатинина, общего белка, альбуминов, холестерина, АCТ, АЛТ и щелочной фосфатазы осуществляли на автоматическом анализаторе ILAB 650 (Instrumentation Laboratory, США).

Статистический анализ выполняли с применением программы Statistica 6.0 (StatSoft, Inc., США). Количественные данные описаны с помощью медианы, первого и третьего квартилей Ме [Q1; Q3]. Сравнение независимых переменных проведено по U-критерию Манна–Уитни. Результаты считали статистически значимыми при р<0,05.

Результаты и обсуждение. В ходе ранее проведенных исследований мы выяснили, что ЭМИ КВЧ- и терагерцевого диапазонов оказывает существенный дозозависимый эффект на процесс перекисного окисления липидов и тканевой кровоток [19, 20].

После оперативного вмешательства у животных 1-й группы окончательная зона краевого некроза в среднем составляла 46,5% площади лоскута. У крыс 2-й и 3-й опытных групп, получавших в послеоперационном периоде воздействие ЭМИ терагерцевого и КВЧ-диапазона волн, зоны некроза оказались сравнимы и составили 26,3 и 31% соответственно. Данные клинического осмотра совпали с показателями ЛДФ и тепловидения, что подтверждает влияние микроволн на сосудистое звено микроциркуляции.

Анализ процесса биохимической адаптации к условиям экспериментальной ишемии выявил изменения основных показателей метаболического статуса у крыс из разных групп, которые различались как между собой, так и по сравнению с контролем.

Операционный стресс повлек за собой существенные сдвиги в содержании продуктов метаболизма, участвующих в энергетическом обмене у всех животных. У крыс 1-й группы концентрация глюкозы и общего холестерина в послеоперационном периоде оказалась статистически значимо выше (почти вдвое) по сравнению с интактными крысами (табл. 1).

Таблица 1. Сравнительный анализ биохимических показателей в группах (Me [Q1; Q3])

Это может быть связано с тем, что травматическое повреждение тканей стимулирует выделение гормонов стресса — глюкокортикоидов (ГКС). А одно из их основных действий заключается в стимуляции глюконеогенеза, конечным итогом которого является развитие гипергликемии [21].

Установлено, что содержание общего холестерина в 1-й и 2-й группах было выше, чем в контроле. Известно, что после оперативного вмешательства в результате повреждения тканей развивается энергетический дефицит, липидам при этом отводится особая роль, так как холестерин используется в организме в качестве структурного и пластического материала для построения клеточных мембран. Вероятно, его повышение связано с активацией глюконеогенеза, действие которого направлено на использование в качестве источника энергии продуктов липидного обмена [22, 23].

После курса облучения у крыс 3-й группы, получавших воздействие ЭМИ 53–78 ГГц, содержание глюкозы и общего холестерина оказалось статистически значимо ниже (сравнимо с контролем) аналогичных показателей в сыворотке крови животных из 1-й и 2-й групп, что может свидетельствовать о гомеостазирующем влиянии ЭМИ КВЧ-диапазона на показатели энергетического обмена.

Отмечено, что в 1-й и 2-й группах содержание общего билирубина было ниже, чем в контрольной группе. Возможно, кровотечение в результате оперативного вмешательства вызвало снижение концентрации пигмента в сыворотке крови из-за малого содержания эритроцитов [24], что, соответственно, привело к уменьшению их разрушения. У экспериментальных животных под действием КВЧ-терапии концентрация билирубина после операции восстановилась до нормы.

Существенное увеличение показателя мочевины (см. рисунок) у животных 1-й группы, по-видимому, следует рассматривать как реакцию адаптации на операционный стресс, протекающую на фоне деструктивных и воспалительных процессов, что связано с детоксикацией избыточного количества свободного аммиака — конечного продукта обмена белков и аминокислот [25]. При этом установлено, что у крыс 2-й и 3-й групп, получавших облучение ЭМИ терагерцевого и КВЧ-диапазона частот, содержание мочевины в процессе курсового лечения микроволнами снизилось по сравнению с животными 1-й группы. Это подтверждает антитоксический и противовоспалительный эффекты микроволн (особенно ЭМИ КВЧ-диапазона).

Показатели мочевины в разных группах животных после операции

В ходе исследования выявлено, что концентрация креатинина в 1-й и 3-й опытных группах статистически значимо не отличалась от значений в контрольной группе, в то время как у животных 2-й группы она была ниже. По-видимому, это связано с присутствием в диапазоне частот 110–170 ГГц МСИП оксида азота, в синтезе которого, как и в синтезе креатинина участвует одна и та же аминокислота — аргинин [26]. По мнению авторов [27], снижение креатинина у животных 2-й группы может быть связано с дефицитом данной аминокислоты.

На фоне воздействия ЭМИ терагерцевого диапазона в сыворотке крови животных 2-й группы отмечено также снижение концентрации общего белка и альбуминов (табл. 2), что может быть связано с повышенным распадом белка для возмещения больших энергетических затрат из-за дефицита пластических ресурсов в организме экспериментальных животных [28].

Таблица 2. Содержание показателей белкового обмена в группах (Me [Q1; Q3])

Зарегистрированы статистически значимое снижение показателя АЛТ у животных, получивших облучение ЭМИ КВЧ, а также аналогичная тенденция у животных, подвергнутых воздействию ЭМИ терагерцевого диапазона, по сравнению с 1-й и контрольной группами. Известно, что микроволны влияют на клеточные мембраны, что приводит к их структурным и функциональным изменениям [29, 30]. Электромагнитные миллиметровые волны делают более упорядоченным расположение молекул липидов в клеточной мембране, увеличивая силу гидрофобных взаимодействий как между липидами, так и липид-белковыми комплексами, что приводит к повышению устойчивости мембраны. Следует предположить, что полученный результат связан со снижением мембранной проницаемости, препятствующей выходу фермента в кровяное русло под действием КВЧ-облучения.

Результаты облучения центра вегетативной регуляции животных низкоинтенсивным широкополосным ЭМИ суб- и миллиметрового диапазонов показали, что микроволновое воздействие положительно сказывается на восстановлении гомеостаза, нарушенного в результате операционного стресса, которое происходит в рамках общего адаптационного синдрома. Учитывая, что симпатическая нервная система обеспечивает быструю мобилизацию энергетических ресурсов и активирует функциональные ответы на раздражитель, а парасимпатическая — корригирует и поддерживает гомеостаз, обеспечивая резервы для аварийной регуляции, можно заключить, что при действии низкоинтенсивных микроволн на организм активируется как эрготропная, так и трофотропная регуляция функций.

Сравнительный анализ эффективности воздействия ЭМИ изучаемых диапазонов в условиях экспериментальной ишемии продемонстрировал преимущественное влияние ЭМИ 110–170 ГГц, в диапазоне которого содержатся МСИП кислорода и оксида азота, на сосудистое звено микроциркуляции, что подтверждается более выраженным сокращением площади некроза кожного лоскута. В отношении метаболической коррекции полученные результаты не позволяют прийти к однозначному выводу о предпочтении того или иного диапазона.

В группе животных, облучавшихся ЭМИ 53–78 ГГц, отмечено более выраженное гомеостазирующее влияние с восстановлением в послеоперационном периоде исходного уровня биохимических показателей (общего билирубина, мочевины, общего холестерина) и тенденцией к нормализации уровня глюкозы.

Отрицательного влияния на состояние тканевого кровотока и биохимических показателей со стороны действия изучаемых физических факторов не обнаружено.

Финансирование исследования и конфликт интересов. Исследование не финансировалось какими-либо источниками, и конфликты интересов, связанные с данным исследованием, отсутствуют.

Литература

Пономаренко Г.Н. Инновационные восстановительные технологии. Курортные ведомости 2010; 5(62): 15−18.
Истомина И.С. КВЧ-терапия в клинической практике (Часть II). Физиотерапия, бальнеология и реабилитация 2012; 6: 38−45.
Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 4. Волны. Оптика. СПб: Лань; 2011; 256 с.
Кулипанов Г.Н. Генерация и использование терагерцового излучения: история и перспективы. Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика 2010; 5(4): 24–27.
Ramundo Orlando A., Gallerano G.P. Terahertz radiation effects and biological applications. J Infrared Milli Terahz Waves 2009; 30(12): 1308–1318, http://dx.doi.org/10.1007/s10762-009-9561-z.
Федоров В.И. Исследование биологических эффектов электромагнитного излучения субмиллиметровой части терагерцового диапазона. Биомедицинская радиоэлектроника 2011; 2: 17–27.
Паршина С.С., Афанасьева Т.Н., Тупикин В.Д. Биологические эффекты оксида азота в развитии кардиоваскулярной патологии как основа применения терагерцовой терапии. Бюллетень медицинских интернет-конференций 2012; 2(6): 446–452.
Гапеев А.Б. Исследование механизмов биологического действия низкоинтенсивного электромагнитного излучения крайне высоких частот: успехи, проблемы и перспективы. Биомедицинская радиоэлектроника 2014; 6: 20–30.
Иванов А.Н. Регуляторные эффекты волн терагерцового диапазона частот. Бюллетень медицинских интернет-конференций 2012; 2(6): 392–399.
Богомолова Н.В., Дулатов Р.М., Киреев С.И., Киричук В.Ф., Креницкий А.П. Комплексное экспериментальное и клиническое исследование эффективности КВЧ-терапии на частотах оксида азота в восстановительном лечении пациентов с переломами костей. Вестник новых медицинских технологий 2010; 17(1): 107–110.
Цуркан М.В., Собакинская Е.А., Смолянская О.А., Беспалов В.Г., Вакс В.Л., Балбекин Н.С. Исследование спектра молекулы ДНК в терагерцовой области частот. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики 2012; 1(77): 15–19.
Цымбал А.А., Киричук В.Ф., Креницкий А.П., Бецкий О.В. Восстановление основных показателей метаболического статуса терагерцевыми волнами на частотах оксида азота 150,176 ... 150,664 ГГц в условиях эксперимента. Биомедицинская радиоэлектроника 2011; 1: 30–35.
Казаринов К.Д. Биологические эффекты электромагнитного поля терагерцового диапазона. Электронная техника. Серия 1: СВЧ-техника 2009; 503(4): 48–58.
Рыбалко С.Ю., Ященко С.Г., Колбасин П.Н. Мониторинг влияния низкоинтенсивных электромагнитных излучений и морфофункциональные изменения эритроцитов крови человека. Таврический медико-биологический вестник 2013; 16(1–2): 170–173.
Плосконос М.В. Влияние миллиметрового электромагнитного излучения низкой интенсивности на процесс апоптоза мужских половых клеток. Успехи современного естествознания 2015; 1–6: 974–976.
Руководство по лабораторным животным и альтернативным моделям в биомедицинских исследованиях. Под ред. Каркищенко Н.Н., Грачева С.В. М: Профиль 2С; 2010; 358 c.
Крылов В.Н. Влияние низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ-диапазона на некоторые показатели гомеостаза животных. Вестник Нижегородского университета им. Лобачевского. Серия: Биология 2003; 1(6): 14–24.
Бецкий О.В., Лебедева Н.Н., Яременко Ю.Г. Аппаратура для КВЧ-терапии. Радиотехника 2007; 3: 4–15.
Клиническая лабораторная диагностика (методы и трактовка лабораторных исследований). Под ред. Камышникова В.С. М: МЕД-пресс-информ; 2015; 720 с.
Полякова А.Г., Соловьева А.Г., Сазонова И.Е., Захарова Д.В. Влияние электромагнитного излучения крайне высоких частот на про- и антиоксидантный статус крови в эксперименте. Биофизика 2016; 61(1): 131–137.
Полякова А.Г., Сазонова И.Е., Воловик М.Г., Перетягин П.В., Захарова Д.В. Влияние низкоинтенсивных ЭМИ 110–170 ГГц на состояние тканевого кровотока в кожном лоскуте крыс. Вестник восстановительной медицины 2014; 6(64): 25–31.
Цымбал А.А., Киричук В.Ф., Антипова О.Н., Куртукова М.О., Андронов Е.В. Изменения уровня кортикостерона в крови у экспериментальных животных при воздействии терагерцевыми волнами на частоте атмосферного кислорода 129,0 ГГц на фоне острого и длительного стресса. Биомедицинская радиоэлектроника 2011; 8: 23–28.
Рослый И.М. Биохимические показатели в медицине и биологии. М: Медицинское информационное агентство; 2015; 616 с.
Хиггинс К. Расшифровка клинических лабораторных анализов. Под ред. Эммануэля В.Л. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний; 2013; 456 с.
Остапчук А.Е. Билирубин. 2013. URL: http://youpedia.ru/medicina-b/bilirubin.html.
Обмен серосодержащих аминокислот — метионина и цистеина. URL: http://biofile.ru/bio/10604.html.
Кузнецова В.Л., Соловьева А.Г. Оксид азота: свойства, биологическая роль, механизмы действия. Современные проблемы науки и образования 2015; 4. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=21037.
Северин Е.С., Алейникова Т.Л., Осипов Е.В., Силаева С.А. Биологическая химия. М: Медицинское информационное агентство; 2008; 364 с.
Киричук В.Ф., Цымбал А.А. Закономерности и механизмы реализации физиологических эффектов волн терагерцевого диапазона на частотах активных клеточных метаболитов. Биомедицинская радиоэлектроника 2014; 5: 61–66.
Полякова А.Г., Алейник Д.Я. Влияние низкоинтенсивных микроволн на клеточную активность дермальных фибробластов различного генеза. Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского 2013; 6(1): 146–152.