Биологические эффекты электромагнитного излучения миллиметрового диапазона

Высокая биологическая активность электромагнитного излучения миллиметрового диапазона была обнаружена ещё в 60-е годы 20-го века. Многочисленные теоретические разработки и экспериментальные работы подтверждают, что ЭМИ ММД может играть определенную роль в биологических процессах. Анализ литературных данных показывает, что первичные процессы, приводящие к изменению синтеза и секреции биологически активных веществ при действии ЭМИ ММД, разворачиваются на уровне кожи. Среди клеточных структур, присутствующих в коже и потенциально способных влиять на содержание регуляторных веществ в организме, можно выделить кровеносные капилляры, нервные окончания и секреторные клетки кожи. При участии нейроиммуноэндокринной системы происходит трансформация первичной информации о воздействии ЭМИ ММД в факторы нейрогуморальной регуляции, которые и вызывают различную реакцию со стороны различных сигнальных молекул. В восприятии ЭМИ ММД на уровне целого организма задействована сложная нейрогуморальная система реагирования. Сигнал о воздействии, поступающий в ЦНС, через гипоталамо-гипофизарный тракт может вызывать изменение функциональной активности желез внутренней секреции, а также через эфферентные нервные волокна напрямую воздействовать на функциональную активность внутренних органов. Согласно одной из моделей механизм действия ЭМИ ММД связан с дегрануляцией тучных клеток, что, в свою очередь, приводит к запуску целого каскада реакций. Что касается механизмов, приводящих к дегрануляции тучных клеток кожи при действии ЭМИ ММД, то предполагается, что эффект излучения связан с влиянием на кальций-зависимую внутриклеточную сигнализацию, чувствительную к изменению кальция и реагирующих на ее увеличение (даже при неспецифической стимуляции) выбросом гистамина. В качестве механизма действия ЭМИ ММД рассматривается также возможность его влияния на слабые электростатические связи (например, водородные, гидрофобные), которым принадлежит ведущая роль
в поддержании пространственной структуры (конформации) биологических молекул и надмолекулярных структур. Через модификацию слабых взаимодействий ЭМИ ММД могут изменять физико-химические свойства белков, липидов, каталитические свойства ферментов, прочность липопротеиновых и других комплексов. В ответной реакции организма на ЭМИ ММД можно выделить элементы кожно-висцеральных рефлексов и, в большей степени, реакцию со стороны неспецифических адаптационно-приспособительных механизмов.
ЭМИ ММД, поглощенное кожными рецепторами, оказывает возбуждающее действие на вегетативную, эндокринную и имунную системы. В ряде работ показаны специфические ответы биологических объектов (тканей, органов, органных систем) на воздействие электромагнитного излучения крайне высокочастотного диапазона. ЭМИ ММД оказывает противовоспалительное действие, проявляющееся уменьшением экссудации и гиперемии очага воспаления, уменьшается фагоцитарная активность нейтрофилов периферической крови, не влияя на гуморальный ответ на иммунзависимый антиген, локальное действие ЭМИ ММД вызывает дегрануляцию тучных клеток, что является важным механизмом в реализации действия на уровне организма с синхронным участием нервной, эндокринной и иммунной систем. Работами последних лет показано, что ЭМИ ММД обладает гемостимулирующим, антиоксидантным и адаптирующими эффектами на фоне цитостатического поражения органов; выявлено нормализующее влияние на биоэлектрическую активность мозга (уменьшение признаков дисфункции на диэнцефальном уровне), оптимизирующее действие на реактивность вегетативной нервной системы при нагрузочных пробах. Описаны разнообразные клинические эффекты ЭМИ ММД, этот метод находит все более широкое распространение в различных областях медицины, в частности, для лечения болезней органов кровообращения, дыхания, пищеварения, опорно-двигательного аппарата, эндокринной и нервной систем. В тоже время клеточно-молекулярные аспекты влияния ЭМИ ММД нуждаются в дальнейшем изучении и уточнении. Необходимо отметить, что живые организмы реагируют на все виды ЭМИ и характер биологической реакции определяется параметрами излучений. При облучении ЭМИ низкой интенсивности отмечаются преходящие функциональные изменения. При этом в первую очередь реагируют структуры центральной нервной системы и эндокринной системы, как более чувствительные. Менее чувствительные системы отвечают на облучение отсроченными реакциями. Важное значениеприобретает индивидуальная чувствительность и исходное состояние организма, во многом определяющие меру ответной реакции, которая может оставаться в границах физиологической нормы или являться патологической. Направленность воздействия КВЧ-терапии обусловлена методикой применения (местом воздействия), исходным состоянием организма пациента и характеристиками КВЧ-излучения. Современная аппаратура и методики применения ЭМИ ММД в медицине создаются в соответствии с гигиеническими нормативами и исключают мощное острое облучение кроме тех случаев, когда для этого есть показания, и хроническое воздействие ЭМИ на организм человека. Аппаратура последних поколений для проведения КВЧ-терапии по сравнению с предыдущими поколениями отличается значительным снижением интенсивности ЭМИ и уменьшением времени воздействия. Выявлены различия в клинических эффектах ЭМИ ММД, в зависимости от используемых терапевтических частот. Наряду с несущей частотой имеет значение и низкочастотная модуляция терапевтического излучения по амплитуде или частоте. Сложномодулированные сигналы воспринимаются биологическими объектами лучше и их гармонизирующие возможности выше по сравнению с моночастотными воздействиями. При использовании амплитудно - и частотномодулированного излучения КВЧ-диапазона биологический эффект по сравнению с немодулированным излучением усиливается, при этом средняя мощность воздействия оказывается значительно меньше. При действии модулированного ЭМИ КВЧ с определенными частотами модуляции не происходит снижения величины эффекта на «эффективных» несущих частотах, и возникает эффект на «неэффективных» несущих частотах. По данным литературы, оптимальными параметрами ЭМИ ММД при лечении сердечно-сосудистой патологии являются: частота излучения 43 - 40 ГГц, частота модуляции несущей частоты 10,0±0,5 Гц, длина волны – от 6,98 до 7,50 мм. Первые работы по применению ЭМИ ММД для лечения больных хроническими формами ИБС были опубликованы в 1989 году. При проведении клинических исследований больных острым инфарктом миокарда, в комплексное лечение которых была включена КВЧ-терапия, получены следующие результаты: выраженный гипокоагуляционный эффект, повышение толерантности к физической нагрузке и снижение госпитальной летальности, то есть КВЧ-терапия усиливает антиангинальный, гемодинамический, гипотензивный, антиаритмический эффекты традиционной терапии. Показано положительное влияние КВЧ-излучения на течение репаративных процессов у крыс с экспериментальным инфарктом миокарда, обнаружено уменьшение в сыворотке крови содержания холестерина и атерогенных липопротеидов низкой плотности, а также выявлено увеличение содержания Na⁺-K⁺АТФ-азы, наблюдается повышение активности гормонов щитовидной железы и надпочечников. Отмечено влияние КВЧ-излучения на биохимические процессы у больных инфарктом миокарда: превалирование аэробного окисления глюкозы над анаэробным, нормализация нуклеотидного пула эритроцитов, повышение транспорта ионов через клеточные мембраны, усиление антиоксидантной защиты мембран от продуктов перекисного окисления липидов, нормализация соотношения фосфолипидных фракций липидного спектра мембран. Воздействие миллиметровыми волнами способно активировать энергетический метаболизм клеток красной крови у больных инфарктом миокарда. При применении метода КВЧ-терапии для лечения больных инфарктом миокарда отмечается положительное влияние на все проявления заболевания: клинику, биоэлектрическую активность сердца, толерантность к физическим нагрузкам, репаративные процессы в миокарде и некоторые параметры сократительной функции сердца также отмечают благоприятное влияние КВЧ-терапии на электрофизиологические и репаративные процессы в миокарде у больных острым инфарктом миокарда.

Опубликована серия клинических работ, описывающих благоприятный терапевтический эффект КВЧ-терапии при стенокардии: отмечена нормализация в системе микроциркуляции, центральной гемодинамике, свертывающей и противосвертывающей системах крови.

Показана положительная клиническая эффективность КВЧ-терапии, заключающаяся в уменьшении количества и интенсивности приступов стенокардии, снижении суточной потребности в нитроглицерине, сопровождающаяся повышением толерантности к физической нагрузке и благоприятной перестройкой гемодинамических показателей по данным велоэргометрии и тетраполярной реографии. В частности, В.А. Люсовым, H.A. Воловым, А.Ю. Лебедевой и др. (1995) было отмечено улучшение микроциркуляции в сердечной мышце у больных нестабильной стенокардией, получавших курс КВЧ-терапии.

Исследованиями установлено, что эффективность применения КВЧ- терапии в качестве компонента комплексного лечения больных нестабильной стенокардией обусловлена, прежде всего, ее нормализующим воздействием на систему гемостаза. Так, обнаружен антиангинальный, гипокоагуляционный - и гипохолестеринемический эффект данного вида воздействия.

В ряде работ показано ограничение внутрисосудистого свертывания крови у больных стенокардией под влиянием ЭМИ ММД. Благоприятный эффект КВЧ-терапии на систему гемостаза выражается в повышении антикоагулянтной (уровня гепарина, активности антитромбина-III) и фибринолитической активности крови, снижение содержания комплексных соединений мономеров фибрина.

По данным О.Д. Локшиной, Н.Д. Грековой, Б.В. Брай и др. (1991) воздействие ЭМИ ММД при стенокардии способствует уменьшению частоты приступов и переходу прогрессирующей стенокардии в стабильную форму, росту резервных возможностей и аэробной мощности миокарда, что

коррелирует с показателем физической работоспособности больных.

В ходе экспериментальных исследований установлено, что возможна нормализация нарушенных реологических свойств крови как в условиях invitro, так и invivoпри облучении ЭМИ ММД. При этом происходит восстановление таких показателей гемореологии как вязкость крови, показатель гематокрита, деформируемость и агрегационная способность эритроцитов, уровень фибриногена.

Результаты исследования, проведенного в научном центре сердечно-сосудистой хирургии им. Бакулева, выявилинарушеннуюэндотелий-зависимуювазодилатациюубольныхс ХСН, чтосвидетельствует оснижениивазодилатирующихвеществ (синтезаоксидаазота) эндотелиальными клетками. Подвлияниемнизкоинтенсивных электромагнитныхполейубольныхсХСНотмечается повышениепоказателямикроциркуляции, снижениеамплитудымиогенныхколебаний, что свидетельствуетовазодилататорномэффекте. Показательнейрогенноготонуса, отражающийвлияние симпатическойнервнойсистемынаадренорецепторы, нафоневоздействияионофорезасацетилхолиномснижаетсядонормальногоуровня,чтосвидетельствуетовозможномрегулирующемвлияниинизкоинтенсивных электромагнитных полей. В результате резкоснижаетсяпоказательшунтирования, отражающийсостояние артериоловенулярныхшунтов, улучшаетсякапиллярныйкровоток.

Полученные результаты позволили исследователям высказать предположение о влиянии низкоинтенсивных электромагнитных полей на функцию эндотелия. Современные клинические исследования, направленные на оценку механизмов и клинических эффектов КВЧ-терапии у пациентов старших возрастных групп, были проведены специалистами Санкт-Петербургского института биорегуляции и геронтологии на базе Санкт-Петербургского городского клинико-гериатрического центра, Ленинградской областной клинической больницы, городской многопрофильной больницы № 2 Санкт-Петербурга в период с 2008 по 2012 годы. Исследования показали, что применение КВЧ-терапии у пациентов пожилого и старческого возраста при различных заболеваниях патогенетически обоснованно и клинически целесообразно. Было установлено, что при хронической сердечной недостаточности, артериальной гипертензии, климактерическом синдроме, а также хронической обструктивной болезни легких, характеризующимися усилением прооксидантных процессов, КВЧ-терапия на фоне медикаментозного лечения стимулирует синтез SH-содержащих соединений, обеспечивающих антиоксидантную защиту и вызывает снижение содержания малоновогодиальдегида, что свидетельствует о стабилизации антиоксидантного статуса у пациентов пожилого и старческого возраста. Анализ данных показал, что изучаемые нозологические формы, при которых КВЧ-терапия влияла на оксидативный статус, можно объединить по принципу заинтересованности в их течении сердечно-сосудистой системы, которая в пожилом и старческом возрасте оказывает немаловажное влияние на оксидативное равновесие в силу локализации в сосудистой стенке патологического очага атеросклеротического процесса. В частности, пациентки с климактерическим синдромом имели изменения сердечно-сосудистой системы, а хроническая обструктивная болезнь легких сопровождалась закономерным в пожилом и старческом возрасте присоединением хронического легочного сердца с системными проявлениями. При этом в развитии возраст-ассоциированной патологии с заинтересованностью сердечно-сосудистой системы большое значение имело состояние системы про- и антиоксидатных ферментов. Полученные данные также позволяют предполагать влияние ЭМИ ММД на функции эндотелий сосудов через регуляцию синтеза оксида азота.

 

 

 

3.3.3. Молекулярные механизмы взаимодействия электромагнитного излучения миллиметрового диапазона с эндотелием сосудов: пример экспериментального исследования

Методология исследования

Целью экспериментального исследования явилось изучение влияния электромагнитного излучения миллиметрового диапазона на экспрессию сигнальных молекул в культуре клеток эндотелия сосудов при ее старении [2, 3].

Для создания культур клеток материал аорты (диаметр 0,2 см, 8 фрагментов) без патологических изменений был получен от эмбриона человека (21 неделя гестации). Путем ферментативной диссоциации из материала аорты была получена первичная культура ткани эндотелия. Культуры клеток 3 пассажа определяли как «молодые», а 20 пассажа – как «старые» в соответствии с рекомендациями Международной ассоциации исследований клеточных культур. Для исследования культур клеток использовали гистологический и иммуногистохимический методы исследования. В качестве гистологической окраски образцов использовали гематоксилин и эозин. Для изучения культур клеток применяли метод иммуноцитохимии. Все полученные данные подвергали морфометрическому и иммуноцитохимическому анализу. В качестве молекул – маркеров функциональной активности эндотелия нами были выбраны эндотелиальнаяNO-синтаза (eNOS), эндотелин-1, вазопрессин, ангиотензин-2, тромбомодулин и фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) В сердечно-сосудистой системе eNOS выполняет защитную функцию, поддерживая циркуляцию крови в сосудах. При воспалении и атеросклерозе eNOS снижает концентрацию NO и тем самым защищает эндотелиальные клетки от апоптоза. Повышенная продукция NO связана с развитием гипертензии, гиперхолестеринемии, сахарного диабета и сердечной недостаточности. Эндотелин-1, вазопрессин и ангиотензин-2 принимают участие в регуляции сосудистого тонуса. Эндотелин-1, связываясь с эндотелин А-рецепторами, снижает синтез NO в эндотелии и вызывает сужение сосудов. Присоединившись к рецепторам В-1, эндотелин-1 вызывает расширение сосудов (тормозится образование цАМФ и усиливается синтез NO). В норме эндотелин-1 синтезируется в небольшом количестве, и, реагируя с В-1-рецепторами, расширяет сосуды. Ангиотензин-2 и вазопрессин являются антагонистами NO, способствуя вазоконстрикции. Тромбомодулин является маркером повреждения сосудистого эндотелия. VEGF обеспечивает васкулогенез. Сосудистые эффекты VEGF включают стимуляцию миграции эндотелиальных клеток, их инвазию в базальную мембрану, пролиферацию, выживание и формирование фенестр, а также индукцию вазодилатации. Длительное снижение концентрации VEGF приводит к снижению выживаемости эндотелиальных клеток и повышению артериального давления. С целью изучить функциональную активность клеток эндотелия аорты человека для иммуноцитихимического исследования использовали первичные моноклональные антитела к маркерам проводили с применением мышиных моноклональных антител к маркерам ICAM-1 (Abcam, 1:100), VEGF (Dako, 1:100), eNOS (1:50, Novocastra), эндотелину-1 (1:100, Abcam), ангиотензину-2 (1:50, Dako), тромбомодулину (СD141) (1:100, Abcam) и вазопрессину (1:50, Dako), и вторичные антитела – биотинилированныеантимышиные иммуноглобулины. Для выявления мышиных иммуноглобулинов использовали универсальный биотин-стрептавидин-пероксидазный набор (MPBiomedicals). Субстратный фермент проявляли диаминобензидином (LiquidDAB+ SubstrateChromogenSystem, Dako). Cреда для культивирования клеток содержала87,5% M199, 10% FBS, 1,5% НЕРЕS, 1% PES и L-глутамин. Выделение первичной культуры (проводилось на чашках Петри (Sarstedt) обработанных раствором фибриногена (Gibco), последующее культивирование проводили во флаконах с обработанной поверхностью объемом 50 мл (Sarstedt 25 см²). Клетки выращивали в 5 мл культуральной среды на флакон и в 3 мл культуральной среды на чашку Петри диаметром 3,5 см, в 1 мл на одну лунку 24-луночного планшета. Через 5-7 дней первичная культура достигала монослоя и проводилась процедура ее пересеивания. Культивирование проводили до 3 пассажа («молодые» культуры клеток) и до 20 пассажа («старые» культуры клеток). На указанных пассажах после облучения клетки были рассеяны на 24 луночный планшет для иммуноцитохимического окрашивания. Воздействие на клетки проводили на 3 и 20 пассаже с помощью аппарата КВЧ-ИК терапии «Триомед», модификация «Универсал» (ООО «Триомед», г. Санкт-Петербург), который представляет собой источник низкоинтенсивного излучения (8-10 мкВт/см²) электромагнитных волн крайневысокочастотного и инфракрасного диапазонов для неинвазивного воздействия на участки кожного покрова человека (Рег.уд.ФСР № 2009/06554 от 17 августа 2012 г.). Для воздействия на культуру клеток излучатель подводили к горлышку культурального флакона и производили облучение в течение 5, 10 или 15 минут. В работе использовали программу модуляции № 1 по единому реестру программ производителя. Частота излучения составила 43 - 40 ГГц, частота модуляции несущей частоты была равна 10,0±0,5 Гц, длина волны – от 6,98 до 7,50 мм, средняя мощность излучения 0,1 мkВт. Все культуры были разделены на 4 группы: 1 – контроль (без воздействия), 2 – с воздействием на культуры в течение 5 минут, 3 - с воздействием на культуры в течение 10 минут, 4 - с воздействием на культуры в течение 15 минут. Для оценки результатов иммуноцитохимического окрашивания проводили морфометрическое исследование с использованием системы компьютерного анализа микроскопических изображений, состоящей из микроскопа NikonEclipse E400, цифровой камеры Nikon DXM1200, персонального компьютера на базе IntelPentium 4 и программного обеспечения VidiotestMorphology 5.0». В каждом случае анализировали 5 полей зрения при увеличении 200 и 400. Относительную площадь экспрессии рассчитывали как отношение площади, занимаемой иммунопозитивными клетками, к общей площади клеток в поле зрения и выражали в процентах. Оптическую плотность экспрессии выявленных продуктов измеряли в условных единицах. Указанные параметры отражают интенсивность синтеза или накопления исследуемых сигнальных молекул. Статистическая обработка всех экспериментальных данных включала в себя подсчет среднего арифметического, стандартного отклонения и доверительного интервала для каждой выборки и проводилась в Statistica 6.0. Для анализа вида распределения использовали критерий Шапиро-Уилка (Shapiro-Wilk’sW-test) Для проверки статистической однородности нескольких выборок были использованы непараметрические процедуры однофакторного дисперсионного анализа (критерий Крускала–Уоллиса). В случаях, когда дисперсионный анализ выявлял статистически значимую неоднородность нескольких выборок, для последующего выявления неоднородных групп применяли процедуры множественных сравнений с помощью критерия Манна-Уитни. Критический уровень достоверности нулевой гипотезы (об отсутствии различий) принимали равным 0,01.

Результаты исследования