Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами

Под редакцией доктора технических наук, профессора С.И. Щукина

Авторы: Акопян Б.В., Ершов Ю.А.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1.        Физическая химия и биофизика ультразвука

1.1.        Волны в упругих средах

1.2.        Ультразвуковое поле

1.3.        Затухание ультразвука

1.4.        Отражение ультразвука

1.5.        Искажение формы ультразвуковой волны в реальных условиях

1.6.        Акустические течения

1.7.        Коллоидный вибропотенциал в механизме биологического действия ультразвука

1.8.        Ультразвуковая кавитация

1.9.        Ультразвуковые химические реакции

1.10.        Ультразвуковое свечение

1.11.        Влияние ультразвука на воду вводные растворы

1.12.        Ультразвуковая кавитация в биологических средах

1.12.1.        Кавитация в суспензиях клеток

1.12.2.        Кавитация в тканях иод действием низкочастотного ультразвука

1.12.3.        Кавитация в тканях под действием высокочастотного ультразвука

1.12.4.        Кавитация в тканях под действием «диагностического» ультразвука

1.13.        Излучатели ультразвука

1.14.        Приемники ультразвука

1.15.        Визуализация ультразвукового ноля

Список литературы

2.        Ультразвуковые методы диагностики

2.1.        Ультразвуковые эхометоды

2.1.1.        Одномерная эхолокация

2.1.2.        Двумерная эхолокация

2.1.3.        Одномерная эхолокация движущихся структур

2.1.4.        Доплеровские методы в ультразвуковой диагностике

2.1.5.        Трехмерные и движущиеся трехмерные изображения

2.2.        Ультразвук в диагностике состояния костной ткани

2.3.        Ультразвуковой метод оценки вязкоупругих свойств мягких тканей

2.4.        Методы ультразвуковой цитолизометрии

2.5.        Сонолюминесценция и ультразвуковой диагностике

2.6.        Акустическая микроскопия

Список литературы

3.        Основы ультразвуковой стимуляции и ультразвуковой терапии

3.1.        Организм - биологическая система

3.2.        Влияние ультразвука па биомакромолекулы в растворах

3.3.        Функциональные и морфологические изменения в клетках

3.3.1.        Действие ультразвука на внутриклеточные структуры

3.3.2.        Последействие ультразвука на жизнедеятельность клетки

3.3.3.        Ультразвуковое воздействие на деление клеток

3.3.4.        Хромосомные аберрации, индуцируемые ультразвуком

3.3.5.        Комбинированное действие ультразвука и некоторых других физико-химических факторов на клетки

3.3.6.        Разрушение клеток под действием ультразвука

3.3.7.        Механизмы биологического действия ультразвука

3.4.        Действие ультразвука на многоклеточные системы

3.4.1.        Пороги биологического действия ультразвука

3.4.2.        Ультразвуковые эффекты в мягких тканях

3.4.3.        Действие ультразвука на кровь

3.4.4.        Клеточные мембраны в механизме биологического действия ультразвука

3.4.5.        Системная реакция организма на ультразвуковое воздействие

3.5.        Ультразвук в физиотерапевтической практике

3.5.1.        Общая неспецифическая стимуляция методом ультразвуковой аутогемотерапии

3.5.2.        Действие ультразвука на биологически активные точки

3.5.3.        Стимуляция и подавление воспроизводительных функций животных

3.5.4.        Лечение заболеваний опорно-двигательного аппарата

3.5.5.        Ультразвуковая терапия поражений покровных тканей

3.5.6.        Влияние ультразвука на молочную железу и лечение ее заболеваний

3.5.7.        Ультразвук в офтальмологии

3.5.8.        Влияние ультразвука на внутренние органы

3.5.9.        Лечение опухолей

Список литературы

4.        Ультразвук в хирургии

4.1.     Инструментальная ультразвуковая хирургия

4.1.1.        Принцип действия ультразвуковых инструментов

4.1.2.        Влияние ультразвукового хирургического инструмента на рассекаемую ткань

4.2.     Хирургическое воздействие фокусированным ультразвуком на внутренние структуры организма

4.2.1.        Фокусирование ультразвука

4.2.2.        Биологическое действие фокусированного ультразвука

4.2.3.        Использование фокусированного ультразвука в экспериментальной биологии и медицине

Список литературы

5.        Ультразвук в биотехнологии

5.1.        Ультразвук в пищевом машиностроении

5.2.        Приборы ультразвукового контроля

5.2.1.  Определение содержания белка, жира и минеральных веществ в биологических средах

5.2.2.  Определение качества мяса в процессе его созревания

5.3.        Ультразвуковая очистка

5.4.        Ультразвуковая интенсификация производственных процессов

5.4.1.  Эмульгирование

5.4 2.  Диспергирование

5.4.3.        Экстрагирование

5.4.4.        Осветление

5.4.5.        Сушка

5.4.6.        Очистка сточных вод

5.5.        Ультразвук в производстве кормов (предпосевная стимуляция семян ультразвуком)

5.6.        Применение ультразвука в медицинской и ветеринарной биотехнологии

5.6.1.        Ультразвук в криобиологии и криоконсервировании

5.6.2.        Влияние ультразвука на биосинтез интерферона

5.6.3.        Стимуляция роста клеток в культуре

5.6.4.        Прединкубационная обработка яиц ультразвуком и введение лекарственных веществ через неповрежденную скорлупу

5.6.5.        Снижение уровня иммунологической специфичности клеток

5.7.        Получение кормовых добавок с помощью ультразвука

Список литературы

6.        Ультразвук в фармации

6.1.        Интенсификация процессов приготовления лекарств

6.2.        Ультразвуковые аэрозоли

Список литературы

Заключение

Предметный указатель




ВВЕДЕНИЕ

Ультразвуковая техника начала развиваться во время Первой ми­ровой войны. Именно тогда, в 1914 г., испытывая в большом лабора­торном аквариуме новый ультразвуковой излучатель, выдающийся французский физик-экспериментатор Поль Ланжевен обнаружил, что рыбы при воздействии ультразвука забеспокоились, заметались, затем успокоились, но через некоторое время стали гибнуть. Так слу­чайно был проведен первый опыт, с которого началось исследование биологического действия ультразвука.

В конце 20-х годов XX в. были сделаны первые попытки использовать ультразвук в медицине. А в 1928 г, немецкие врачи уже приме­нили ультразвук для лечения заболеваний уха у людей. В 1934 г. советский отоларинголог Е.И. Анохриенко ввел ультразвуковой метод и терапевтическую практику и первым в мире осуществил комбинированное лечение ультразвуком и электрическим током. Вскоре ульт­развук стал широко применяться в физиотерапии, быстро завоевав главу весьма эффективного средства.

Прежде чем применить ультразвук для лечения болезней челове­ка, действие его тщательно проверяли па животных, но новые методы в практическую ветеринарию пришли уже после того, как нашли ши­рокое применение в медицине. Первые ультразвуковые аппараты были весьма дороги. Цена, конечно, не имеет значения, когда речь идет о здоровье людей» но в сельскохозяйственном производстве с этим пригодится считаться, поскольку оно не должно быть убыточным.

Первые ультразвуковые лечебные методы основывались на чисто эмпирических наблюдениях, однако параллельное развитием ультра­звуковой физиотерапии разворачивались исследования механизмов биологического действия ультразвука. Их результаты позволяли вносить коррективы в практику применения ультразвука.

В 1940-1950 годах, например, полагали, что в лечебных целях эф­фективен ультразвук интенсивностью до 5…6 Вт/см2 или даже до 10Вт/см2. Однако вскоре применяемые в медицине и ветеринарии интенсивности ультразвука стали уменьшаться. Так в 60-е годы XX в. максимальная интенсивность ультразвука, генерируемого физиотерапевтическим и аппаратами, уменьшилась до 2...3 Вт/см2, а выпуска­емые в настоящее время аппараты излучают ультразвук с интенсив­ностью, не превышающей 1 Вт/см2. Но сегодня в медицинской и вете­ринарной физиотерапии чаще всего используют ультразвук с интенсивностью 0,05...0,5 Вт/см2.

Создание электронных быстродействующих импульсных систем обработки радиолокационных сигналов в период Второй мировой войны стимулировало развитие ультразвуковой диагностики. В на­стоящее время ультразвуковое обследование ежегодно проходят око­ло 60млн пациентов. В ветеринарной практике ультразвуковые мето­ды позволяют проводить раннюю диагностику беременности животных, определять толщину жира и мышц, визуализировать внут­ренние органы и т, д.

Около 40 лет насчитывает история ультразвуковой хирургии, ос­нованной на результатах исследований и разработок советских уче­ных. Сегодня ультразвуковые скальпели и специальные ультразвуко­вые инструменты широко используются для рассечения мягких, хря­щевых и костных тканей, для удаления катаракты и лишних жировых отложений, для санации ран и полостей. Фокусированный ультра­звук успешно применяется для разрушения опухолевых образований в глубине организма без нарушения целостности покровных тканей, для раздражения или разрушения отдельных нервных структур и т. д.

Ультразвуковые методы стали настолько привычными, что в по­следнее время в продаже появились домашние ультразвуковые при­боры для лечения «от всех болезней, для глубокого массажа, для стирки белья, для отпугивания грызунов и пр. Некоторые из них в принципе не могут обеспечить обещанный и рекламных проспектах эффект, применение других для самолечения просто опасно, так как при неправильном применении они могут нанести вред организму.

Многие ультразвуковые методы, прочно занявшие свое место в медицине, уже используются в практической ветеринарии, другие, разработанные и опробованные, по разным причинам еще не нашли широкого распространения. Об одних пока еще мало знают специа­листы, применение других задерживается из-за высоких (для сель­скохозяйственного производства) цен на современное ультразвуко­вое оборудование.

В лабораториях научно-исследовательских учреждений создают­ся новые методы, цель которых - упростить методы и существенно сократить сроки лечения человека и животных, увеличить продук­тивность животных, улучшить условия труда врачей и ветеринарных специалистов. Исследования дают новые результаты, и не исключено, что, воздействуя ультразвуком на отдельные участки мозга и биоло­гически активные точки животных, человек в будущем сможет управ­лять их поведением и регулировать их продуктивность.

В прошлые годы было издано немало книг, посвященных приме­нению ультразвука в медицине, и лишь единицы, в которых рассмат­ривались вопросы использования ультразвуковых методов в ветери­нарной практике и биотехнологии. В большинстве из этих книг ос­новное место занимает описание экспериментальных данных.

В предлагаемом учебном пособии предпринята попытка с пози­ций современной биофизической акустики проанализировать резуль­таты многочисленных исследований и практического использования ультразвука в медицине и ветеринарии, а также показать пути опти­мизации известных ультразвуковых методов и возможности новых областей применения ультразвука в диагностике, хирургии, терапии. Рассмотрены также задачи биотехнологии, экологии, кормопроиз­водства, фармации, которые эффективно решаются с использованием ультразвуковых методов.

Ввиду отсутствия специальных учебных курсов или даже разде­лов по биофизике ультразвука и ультразвуковым методам, а также учебных пособий и справочной литературы по этой теме потребова­лось введение в книгу разделов, посвященных элементам физики ультразвука, взаимодействию ультразвука со средой, механизмам его биологического действия.

Данное учебное пособие призвано помочь будущему исследова­телю, инженеру и врачу лучше разобраться в механизмах лечебного действия ультразвука, глубже понять возможности диагностических ультразвуковых методов, природу ультразвукового ускорения био­технологических процессов и т. д. Тема находится на стыке ряда науч­ных дисциплин, где нередко одни и те же термины обозначают раз­ные понятия. Не установилась окончательно терминология и в бурно развивающейся биофизике ультразвука.

Поскольку достаточно подробно осветить материалы всех пред­шествующих работ не представлялось возможным из-за ограничен­ности объема, в книге приведены ссылки на публикации, обобщаю­щие результаты оригинальных приоритетных исследований, или ана­литические обзоры.

Учебное пособие рекомендовано студентам и аспирантам, изу­чающим курс «Биомедицинская техника», а также специалистам, ра­ботающим в области ультразвуковой физиотерапии, хирургии, диаг­ностики, биотехнологии, экологии, физикам-акустикам, биофизикам, физиологам, инженерам-исследователям, разработчикам ультразву­ковой аппаратуры.

Авторы выражают глубокую признательность рецензентам - доктору химических наук, профессору И.Л. Крылову и доктору химических наук, профессору Н.В. Макарову.

1. ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И БИОФИЗИКА

УЛЬТРАЗВУКА

Раздел физики, посвященный получению, распространению и взаимодей­ствию с веществом ультразвуковых, звуковых и инфразвуковых волн, называ­ется акустикой7 а эти волны - акустическими.

Ультразвук - колебания и волны в упругих средах г частотой, превышаю­щей верхнюю границу слышимого звука.

Но своей природе ультразвуковые волны не отличаются от звуковых, а также инфразвуковых волн, имеющих частоту ниже нижней границы слыши­мого звука.

Деление на ультразвук, звук и инфразвук условно. В основе такого деле­ния - свойство человеческого уха воспринимать упругие колебания среды только в ограниченном диапазоне частот.

1.1. ВОЛНЫ В УПРУГИХ СРЕДАХ

Акустические волны способны распространяться в средах, состоя­щих из упругого вещества. Упругость обеспечивает возвращение в ис­ходное положение частиц среды, смещенных под воздействием ка­ких-либо внешних сил.

Если поршень в упругой среде сместить па небольшое расстоя­ние, то слой вещества перед поршнем, испытывая давление, со­жмется, а затем начнет расширяться, сдавливая соседний слой, тот, в свою очередь, расширяясь сдавит следующий слой. В результате в среде возникает последовательность сжатий и разрежений, которые и представляют собой акустические волны, распространяющиеся в среде и передающие все новым и новым слоям вещества возмуще­ние, возникающее у поршня (рис. 1.1). Частицы среды при этом не переносятся в направлении распространения волн, а лишь колеб­лются около положения равновесия.

Волны называются продольными, если направление колебаний час­тиц совпадает с направлением распространения волн. Если эти направ­ления взаимно перпендикулярны, то волны называются поперечными.

Рис. 1.1. Акустические упругие волны в среде:

а - продольные; б - поперечные; в - графическое изображение полны; стрелки и  и  указывают направление колебания частиц

Если амплитуда колебания частиц в волне невелика и не меняется со временем, в среде распространяется плоская акустическая полна, которая описывается уравнением

   где s - смещение частицы среды от положения равновесия;

А - максимальное смещение частицы относительно положения равновесия (амплитуда);

t - время;

х - положение частицы на оси координат, в направлении которой распространяется волна;

  • - циклическая частота колебаний,  - частота ко­лебаний (число колебаний за единицу времени), Т - период колеба­ния;

 - волновое число, где  - длина волны (расстояние между двумя соседними сжатиями или разрежениями);

 - начальная фаза.

Движение частиц, описываемое приведенной формулой, подчиняет­ся синусоидальному закону и называется гармоническим колебанием.

В газообразных и жидких телах, и том числе и в мягких тканях жи­вотных, содержащих до 75 % воды, распространяются продольные вол­ны. Исключение составляют волны на поверхности жидкостей. В твер­дых телах, в частности в костях скелета человека и животных, наряду с продольными, могут возникать и поперечные, сдвиговые волны.

Частота колебаний  измеряется в герцах. Один герц равен одно­му колебанию в секунду. Для удобства пользуются кратными едини­цами измерения: 1000 Гц= 103 Гц = 1 кГц; 1000000 Гц - 106 Гц = 1 МГц; 103 МГц - 1 ГГц (гигагерц).

Рис. 1.2. Условное деление акустических колебаний и вола на диапазоны

В зависимости от частоты акустические колебания делят на не­сколько диапазонов (рис. 1.2).

Границы, разделяющие отдельные диапазоны акустических коле­баний, достаточно условны. Граница между звуком и ультразвуком, например, зависит от индивидуальных особенностей человеческого слуха. Одни люди не слышат звуки с частотой и 10 кГц, другие могу т воспринимать звуки с частотой до 25 кГц.

Многие животные слышат звуки значительно более высоких частот, чем человек. Собаки улавливают звуковые колебания до 44кГц, крысы - до 72 кГц, летучие мыши - до 115 кГц. Верхняя граница звукового вос­приятия в определенной степени зависит от расстояния между ушами. Чем ближе уши, тем более высокие звуки различает животное. Слон, на­пример, ощущает звуковые колебания только до 12 кГц.

Верхняя граница ультразвукового диапазона обусловлена фи­зической природой упругих волн, которые могут распространяться в среде лишь при условии, что длина волны больше средней длины свободного пробега молекул в газах или межмолекулярных (меж­атомных) расстояний в жидкостях и твердых телах. Исходя из это­го, нетрудно рассчитать, что верхняя граница ультразвукового диа­пазона в газах составляет около 1 ГГц (109 Гц), а в твердых телах - примерно 1013 Гц.

Ультразвук с частотой более 1 ГГц иногда выделяют в отдельный диапазон и называют гиперзвуком.

Очевидно, что скорость частицы, совершающей гармонические колебания, также меняется по гармоническому закону. Нетрудно показать, что амплитуда колебательной скорости - максимальная скорость, с которой движутся частицы среды при колебаниях . При этом скорость движения колеблющейся частицы пе­риодически меняется с той же частотой от 0 до vm. Аналогично ме­няется и ускорение движения частицы. При этом амплитуда уско­рения .

Вышеприведенный пример с поршнем показывает, что возмуще­ние от частиц, колеблющихся в каждом слое около положения равно­весия, передается от слоя к слою по направлению распространения волны х. Таким образом, в акустической волне происходит перенос энергии без  переносу вещества.

где  - плотность жидкости;

В твердых телах скорость продольных волн равна:

 - коэффициент адиабатической сжимаемости, равный относи­тельному изменению объема   при изменении давления на .  Ко­эффициент  рассчитывают по формуле

где Е модуль Юнга, характеризующий упругие свойства вещества.

Скорость распространения упругих (акустических) воли в возду­хе при 25°С составляет 333 м/с, в воде и мягких биологических тка­нях - около 1500 м/с, в костной ткани - примерно 3500 м/с.

Скорость распространения упругой волны практически не зави­сит от частоты и связана с длиной волны  простым соотношением:

т. е. чем больше частота , тем меньше длина волны.

Так, при распространении в воде  1500 м/с) ультразвука с частотой 1 МГц длина его волны , составит 1,510 3 м, или 1,5 мм.

Благодаря малым длинам волн ультразвук распространяется в среде, подчиняясь законам геометрической оптики. Так же, как и свет, ультразвук распространяется прямолинейно в однородной среде, от­ражается и преломляется на границах сред с разными акустическими свойствами. Его можно фокусировать, используя линзы и сфериче­ские зеркала.

Пространство, заполненное веществом, в котором распространя­ется акустическая волна, называется акустическим полем.

Акустическое поле характеризуется переменным звуковым давле­нием в каждой точке и интенсивностью распространяющейся волны.

Периодические сжатия и расширения каждого слоя вещества, в ко­тором распространяется упругая волна, можно рассматривать как ре­зультат действия переменного давления, амплитуда которою равна:

гдe i - амплитуда колебательной скорости частиц.

Величина vm всегда значительно меньше скорости распростране­ния самой волны с.

Величина  характеризует рассеяние энергии волны в акустиче­ском поле и называется акустическим сопротивлением среды. Единица

измерения - кг/м2 . с.

Связь между акустическим сопротивлением, переменным акусти­ческим давлением и амплитудой колебательной скорости можно представить в виде R = P/vm. Это выражение является акустическим аналогом закона Ома (Р - аналог электрического напряжения, а vm - силы тока).

Акустическая волна, распространяясь в среде, переносит с собой энергию.

Величина, численно равная энергии W, переносимой волной в едини­цу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространению волны, называется интенсивностью ультразвука,  Единица измерения Вт/м2. Легко показать, что интенсив­ность плоской синусоидальной волны составляет;

Из предыдущего выражения следует:

Таким образом, зная интенсивность  волны, ее частоту  и аку­стическое сопротивление  среды, можно вычислить амплитуду А смещения частиц, их колебательной скорости vm, колебательного ус­корения и переменного давления в плоской упругой волне.

Так, в ультразвуковой волне с частотой 1 МГц, распространяю­щейся в воде или средах с близким акустическим сопротивлением, при интенсивности Вт/м2 (1 Вт/см2) частицы колеблются с ам­плитудой А = 0,02 мкм, амплитуда скорости колеблющихся частиц достигает 0,1 м/с, а ускорение - 700 м/с2 , что примерно в 70 раз пре­вышает ускорение свободного падения тел на Земле. Амплитуда аку­стическою давления в ультразвуковой волне при этих условиях ока­зывается равной 1,8 . 105 Па (~1,8 атм).

Приведенные цифры, однако, ничего не говорят о воздействиях на биологическую клетку в звуковом поле. Значения этик воздейст­вий нетрудно определить, учитывая размер клетки и то, что расстоя­ние, на которое приходится максимальная разность величин, харак­теризующих ультразвуковую волну, равно половине длины вол­ны /2 . Полагая, что смещение, скорость, ускорение и давление линейно меняются в зависимости от расстояния на отрезке /2, можно оценить их градиенты:

где - амплитуды смещений, скоростей, ускорений и давлений на отрезке длиной /2.

Умножая grad A, grad v, grad В и grad Р на размер клетки, получа­ют соответственно разность смещения, скорости, ускорения и давле­ния на расстоянии, равном размеру клетки.

Согласно приведенным формулам, при частоте ультразвука 1 МГц и интенсивности 1 Вт/см2 амплитуда смещения в биологических сре­дах А  2 -10-6 см, grad А  8 . 10-5. При таких условиях каждая клетка размером 5 . 10-3 см (например, эритроцит) периодически испытывает деформацию порядка 5 -10-7 см. Такая деформация по порядку вели­чины совпадает с пороговыми смещениями, вызывающими появление импульсной биоэлектрической активности механорецепторов.

Экспериментально показано, что ультразвук вызывает возбужде­ние изолированных механорецепторов - телец Пачини при амплитуде переменных смещений А = 2 10~б см (0,4...2,5 Вт/см2; 0,48 МГц) и так­тильные ощущения на руке человека при А  10 5 см (8...10 Вт/см2, 0,48 МГц). Из приведенных выше расчетов следует, что ультразвуко­вая волна (1 Вт/см2, 1 МГц) может оказывать заметное влияние по крайней мере на специализированные клетки - механорецепторы.

При тех же условиях (1 Вт/см2, 1 МГц) амплитуда vm переменной скорости примерно равна 12 ем/с, agradv 500 с-1 . Учитывая, что вяз­кость биологической среды в среднем в 25 раз выше вязкости воды, можно показать, что амплитуда сдвигового усилия, действующего на клетку, составит примерно 10 Н/м2, Эта величина намного меньше ве­личины усилий, необходимых для разрушения клеток,

Эритроциты, например, при температуре, не превышающей 37°С, разрушаются при сдвиговых усилиях, превосходящих 40H/м2. Однако менее прочные структуры, по-видимому, могут испытывать существен­ные изменения и при значительно меньших усилиях. Так, тиксотропные явления в клетке - обратимые изменения вязкости при разруше­нии гелеобразной структуры - наблюдаются уже при интенсивностях ультразвука порядка 0,04 Вт/см2.

Амплитуда беременного ускорения в ультразвуковой волне с час­тотой 1 МГц и интенсивностью 1 Вт/см составит 700 м/с2 a grad В - 2,8 10-6с-2 Таким образом, разность ускорений противоположных полюсов клетки размером 5.10-3 см будет равна 1,4 -104 см/с2. Если предположить, что вся масса клетки разделена поровну и сконцентри­рована на ее противоположных полюсах, то и тогда максимальная раз­ность сил, приложенных к полюсам, составит 0,5.10-13 Н и очевидно не сможет сколько-нибудь заметно влиять на клетку. Следует отме­тить, что в реальных условиях при учете равномерного распределения массы клетки эта разность сил оказывается значительно меньшей.

Амплитуда звукового давления в этих условиях (1 МГц; 1 Вт/см2) составит 18 Н/м2, grad  2,6. 10-4 Н/м3, а амплитуда силы, дейст­вующей на клетку, будет равна 2 10-10 Н. Эта величина значительно меньше значений, характеризующих прочность клетки, и не окажет существенного влияния на ее структуру и функции.

Постоянное (радиационное) давление, возникающее в ультразву­ковом поле за счет нелинейных эффектов, составит 10 Н/м2 при ин­тенсивности ультразвука 1 Вт/см2 , т. с. сила, действующая на клетку, не превышает 10-7 Н.

Сравнение результатов расчетов показывает, что при интенсивностях ультразвука, используемых в физиотерапии, лишь смещения и сдвиговые усилия, возникающие в градиенте скорости, могут оказы­вать непосредственное влияние на клетку. Однако в некоторых усло­виях даже слабые радиационные силы способны обусловить опреде­ленные биологические эффекты, например образование сгустков кро­ви в сосудах лягушки и куриного эмбриона.

Интервал интенсивностей ультразвука, применяемого в ветери­нарной и биомедицинской практике, весьма широк: от 10-3 Вт/см2 в поле излучателей диагностических аппаратов, до 104 Вт/см2 в фо­кальной области фокусирующих излучателей, используемых для разрушения глубинных структур без повреждения окружающих тканей.

Общепринятый интервал интенсив посте й ультразвука, используе­мою в физиотерапии, -- 0,05... 1 Вт/см2, реже до 2,..3 Вт/см2. В исключи­тельных случаях, например при лечении болезни Миньера или обес­пложивания животных, интенсивности повышают до 10 Вт/см2, При интенсивностях ниже 0,05 Вт/см2 ультразвук практически неэффекти­вен для лечения, а при интенсивностях, превышающих 1 Вт/см2, может вызвать нежелательные эффекты, такие, как подавление физиологиче­ских функций организма, перегрев тканей, деструкцию клеток и кле­точных органелл.

В диагностических целях используют как непрерывный ультра­звук низкой интенсивности, так и импульсный ультразвук довольно большой интенсивности, но с короткими импульсами и невысокой частотой их следования (табл. 1,1).

Имеются отдельные сообщения о применении в диагностике ультразвука значительно более высоких интенсивностей. Известен опыт использования для визуализации полостей во внутренних орга­нах ультразвук с интенсивностью до 500Вт/см2 в импульсе. Однако такие попытки исключительны, так как возможная опасность приме­нения ультразвука в диагностических целях обусловливает постоян­ную тенденцию к снижению его интенсивности.

Таблица 1.1

Методы

Частота ультра­звука, МГц

Интен­сивность в импуль­се, Вт/см2

Частота следова- ния им- пульсов, кГц

Длитель­ность им- пульсов,

МКС

Усреднен- ная интен-

сивность,

мВт/см2

Полное время из­мерения, мин

Импульсные методы эхогра­фии и визуали­зации внутрен­них органов

2-10

10-150

1-2

1-5

10-100

5-15

Методы, осно­ванные на эф­фекте Доплера (непрерывный ультразвук)

1-5

-

-

-

50-500

1-5

Характерные параметры диагностического ультразвука

В зависимости от условий задачи и режима воздействия ультра­звук характеризуют либо максимальной в облучаемом объеме (Space Peak - SP), либо усредненной по пространству (Space Average - SA) интенсивностью.

Аналогично ультразвук характеризуют максимальной при воздей­ствии (Time Peak - TP) или усредненной по времени (Time Average - ТА) интенсивностью, а также интенсивностью, усредненной по пространству и времени (SATA), максимальной во времени и про­странстве (SPTP), максимальной во времени, усредненной по про­странству (SATP) или максимальной по пространству, усредненной по времени (SPTA).

Интенсивностью, усредненной по пространству (), называют величину, измеряемую отношением всей энергии переносимой за едини­цу времени через площадку, перпендикулярную распространению вол­ны, ко всей поверхности этой площадки.

Очевидно, что на разных участках площадки интенсивность ульт­развука может быть неодинаковой.

Так, перед центром плоских пьезокерамических излучателей, ис­пользуемых в биомедицинской и ветеринарной практике, интенсив­ность обычно значительно выше, чем на краях излучателя, и в 3-4 раза выше (теоретически  чем усредненная по про­странству.

Интенсивностью, усредненной по времени 1(га), называют величи­ну, измеряемую энергией} перенесенной через единичную, перпендику­лярную направлению распространения волны площадку за единицу вре­мени, без учета режима излучения.

Усредненная по времени интенсивность будет одинакова, если в течение первой половины секунды она вдвое превысит среднее значение, а в течение второй половины будет равна нулю, или если в тече­ние секунды будет излучаться серия импульсов с суммарной энерги­ей, равной энергии непрерывного излучения.

Нетрудно рассчитать, что при высокой интенсивности импуль­сов диагностического ультразвука усредненная по времени и про­странству (SATA) интенсивность составит лишь тысячные доли Вт/см2. Это значение намного ниже значения интенсивностей, при­меняемых в терапии.

1.2. УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ПОЛЕ

Решение ряда задач, связанных с практическим применением ультразвука, невозможно без знания характера акустического ноля, т.е. распределения в пространстве звукового давления или интен­сивности.

Известно, например, что скорость разрушения клеток крови в суспензии под действием ультразвука зависит от его интенсивности. Однако даже плоский излучатель, используемый в установке для оп­ределения скорости ультразвукового цитолизиса, дает весьма неодно­родное поле.

В медицине, ветеринарии и экспериментальной биологии нашел широкое применение плоский высокочастотный излучатель. Для практических целей можно принять, что амплитуда колебаний на его поверхности всюду постоянна, а диаметр D намного больше длины ультразвуковой волны. Идеализированная форма звукового поля этого излучателя представлена на рис. 1.3.

Вблизи поверхности плоского высокочастотного излучателя ультразвуковое поле сосредоточено в цилиндрическом объеме диа­метром D и длиной Z0.

Рис. 1.3. Идеализированное поле плоского акустического излучателя

Начиная с расстояния Z0 = D/, поле конусообразно расширяется. Интервал от излучателя до Z0 называется ближней зоной, или зоной Френеля. Область, где Z > Z0, называется дальней зоной, или зоной Фраунгофера. В этой зоне амплитуда давления падает пропорционально рас­стоянию от излучателя. Угол  между направлением распространения ультразвуковой волны и образующей пучка определяется условием

Для круглой пластинки А = 1,22, D - диаметр круга; для квадрат­ной пластинки A = 1, D сторона квадрата.

Распространено представление о плоском характере волны в ближ­ней зоне. В действительности поле в этой зоне имеет весьма сложный ха­рактер, что объясняется наложением волн, излучаемых отдельными уча­стками поверхности излучателя. Анализ показывает, что интенсивность ультразвука в ближней зоне периодически меняется в интервале от излу­чателя до Z0 (рис. 1.4). Последний максимум находится на расстоянии Z0. Далее амплитуда звукового давления монотонно уменьшается.

Распределение интенсивности ультразвука в поперечном к оси се­чении также неоднородно и зависит от расстояния до излучателя.

В ближней зоне, при Z < Z0, интенсивность может иметь несколь­ко максимумов. В дальней зоне, при Z > Z0, интенсивность имеет один максимум и монотонно надает по мере удаления от оси пучка.

Эти зависимости легко проверить, измеряя, например, распре­деление интенсивности вдоль диаметра плоского круглого излуча­теля, излучающего ультразвук в воду или другую жидкость.

Следует отмстить, что распределение интенсивностей в плоскостях, перпендикулярных к направлению распространения ультразвуковых волн, будет меняться в зависимости от расстояния до излучателя, однако характер этого распределения сохранится, по крайней мере, на расстояниях, сравнимых с диаметром излучающей поверхности.

Рис. 1.4. Изменение интенсивности колебаний в упругой волне в зависимости от расстояния до излучателя

Рис. 1.5. Метод регистрации распределения интенсивности ультразву­ка вдоль диаметра высокочастотного излучателя:

а - схема регистрации (1 - излучатель ультразвука; 2 - кювета с жидкостью; 3 - ультразвуковой зонд 4- координатной устройство; 5- чувствительный элемент зонда - дифференциальная термопара, один из спаев которой сенсибилизирован эпоксидной смолой); 6- распределение интенсивности для плоского излучателя

Для оценки распределения интенсивностей в ультразвуковом ноле удобно воспользоваться любым точечным приемником ультразвука и простым координатным устройством из двух взаимно перпенди­кулярных линеек (рис. 1.5, а). Площадь под экспериментальной кривой на приведенном рисунке пропорциональна энергии ультразвука. Средняя интенсивность соответствует высоте прямоугольника, постро­енного на том же основании, что и экспериментальная кривая, и имею­щего площадь» ограниченную экспериментальной кривой (рис. 1.5, б).

Более точные измерения распределения интенсивностей позво­ляют выявить также и добавочные максимумы (лепестки) интенсив­ности. Зависит распределение интенсивностей в поле и от соотноше­ния размеров излучателя с длиной волны излучаемого ультразвука, и от свойств самого излучающего элемента, и от способа его крепления в излучателе.

Таким образом, даже в идеальных условиях, поле в ближней зоне излучателя весьма неоднородно, и максимальные значения интенсив­ности могут в 3-4 раза отличаться от средних значений. Это следует учитывать при определении порогов физико-химического и биологи­ческого действия ультразвука.

Следует отметить, что далеко не все исследователи учитывают особенности распределения интенсивностей в поле используемых ими ультразвуковых излучателей и это может быть одной из причин расхождения в полученных ими результатах.



1.3. ЗАТУХАНИЕ УЛЬТРАЗВУКА

Распространяясь в среде, ультразвуковые волны затухают, и их интенсивность, а следовательно, и амплитуда колебания частиц среды уменьшаются с увеличением расстояния от источника.

Затухание обусловлено поглощением звука средой, т.е. переходом звуковой энергии в другие виды энергии, в частности в тепловую, рас­сеянием звука на неоднородностях среды, в результате чего уменьшается поток энергии в первоначальном направлении распространения волны, а также расхождением звукового луча по мере удаления от источника.

Плоская волна в однородной среде затухает в основном в результа­те поглощения ультразвука. Амплитуда колебания частиц и интенсив­ность ультразвука уменьшаются с расстоянием согласно уравнениям

где  и А0 - интенсивность ультразвука и амплитуда колебания час­тиц вблизи источника;

 и А0 - интенсивность и амплитуда на расстоянии х от источника;

- коэффициент поглощения;

е - число Непера (е = 2,72).

Коэффициент поглощения, в жидких средах пропорционален их вязкости  и квадрату частоты колебаний:

Коэффициент поглощения быстро увеличивается с возрастанием частоты, зависит от свойств вещества, в котором распространяется волна, а также температуры, давления и других условий.

Величина 1/, обратная коэффициенту поглощения, определяет расстояние, на котором амплитуда колебаний частиц уменьшается и е раз, т. е. примерно в 3 раза.

Затухание ультразвука в биологических тканях значительно боль­ше, чем в воде. Так, затухание в жировой ткани в 4 раза, в мышце в 10 раз, а и костной ткани примерно в 75 больше, чем в воде или в жидких биологических средах - крови и лимфе.

Б терапевтических целях для эффективного воздействия на ткани чаще всего используют ультразвук с частотой 0,7 МГц и выше. Ультра­звук в диапазоне 0,7...1 МГц обычно применяют для воздействия на глубоколежащие ткани и внутренние органы. Для лечения кожных за­болеваний частоту повышают до 2,5...3 МГц.

Б диагностике, в частности для визуализации внутренних орга­нов, применяют интенсивный импульсный ультразвук с частотой 6...10 МГц, так как разрешающая способность диагностической аппа­ратуры пропорциональна частоте ультразвука. При более высоких частотах поглощение ультразвука значительно увеличивается. Поэто­му для получения сигнала, отраженного от внутренних органов, при­шлось бы применять слишком высокие интенсивности ультразвука, опасные для жизнедеятельности организма.

Поглощенная веществом, в частности биологическими средами, ультразвуковая энергия выделяется в основном в виде тепла, что при­водит к повышению температуры вещества. Это повышение темпера­туры неоднократно измеряли экспериментально и рассчитывали тео­ретически. Теплопродукция в разных тканях неодинакова из-за разли­чий в их коэффициентах поглощения (табл. 1,2),

Таблица 1.2

Акустические свойства некоторых тканей и воды

Ткань

Скорость ультразвука, м/с

Акустическое сопротивле­ние, кг/м2с

Коэффициент поглощения, дБ/см, при =1 МГц

Кровь

1570

1,61

0,1

Мозг

1541

1,58

0,85

Жир

1450

1,38

0.G3

Почка

1561

1,62

1.0

Печень

1549

1,65

0 №

Мышца:

вдоль фибрилл поперек фибрилл

1585

-

-

1,70

-

-


1,30

3,30

Кости черепа

4080

7,80

13

Вода

1480

1,48

0,0022

Можно показать, что в мышечной ткани толщиной в 1 см при ин­тенсивности 1 Вт/см2 в течение секунды поглощается около 0,3 Вт. Этому соответствует выделение тепла, достаточное для нагревания 1 см3 воды на 0,1. Полагая, что теплоемкость мышечной ткани и во­ды примерно одинакова, легко подсчитать (без учета рассеивания теп­ла), что мышечная ткань в этих условиях нагревается па 1°С за 10 с. Экспериментально повышение температуры в тканях наблюдали мно­гие авторы. Однако результаты их исследований существенно разли­чаются, что может быть обусловлено неравномерностью ультразвуко­вого поля разных излучателей, различной степенью неоднородности исследованных тканей, разными условиями рассеивания теплоты.

При облучении, например, брюшной полости собаки ультразву­ком (0,5 Вт/см2; 0,88 МГц) температура в жировой ткани за 10 мин по­вышается на 3...4 0С, а в печени и на передней стенке желудка - на 0,5,..0,8. В икроножной мышце лягушки, облучаемой ультразвуком (1 Вт/см2; 0,88 МГц) в течение 5 мин, температура повышается не бо­лее, чем на 5...7 0С.

Порог теплового повреждения тканей мало зависит от их началь­ной температуры, режима облучения и частоты ультразвука. Если температура ткани в ультразвуковом поле не превышает 42…43°С, то, по данным некоторых авторов, морфологические изменения в ней не наблюдаются даже после 8-часового облучения.

Значительно больше, чем в объеме однородной ткани, выделяется теплота на границах раздела тканей с отличающимися акустическими сопротивлениями или на неоднородностях структуры ткани. Возмож­но, именно этим объясняется и го, что ткани со сложной архитектони­кой (например, легкие) более чувствительны к ультразвуку, чем одно­родные ткани (например, печень).

Дополнительная разность температур между соседними тканями может возникнуть также из-за различий в их коэффициентах теплопро­водности (табл. 1,3), в насыщенности кровеносными сосудами и т.д.

Таблица 1.3

Коэффициенты теплопроводности различных тканей

Ткань

Теплопроводность, Вт/см.К

Жир

0,017-0,021

Эпидермис

0,025

Мышца

0,05-0,06

Кровь, вода

0,058

Кость

1,16

Полагают, что нагревание тканей и градиенты температур на грани­цах раздела разных тканей в основном и обусловливают биологическое действие ультразвука. Однако имитация ультразвукового нагревания тканей с помощью других термогенных воздействий - инфракрасным излучением, высокочастотными электромагнитными волнами, горячим парафином и пр. не дает того биологического и терапевтического эф­фекта, которого удается достичь с помощью ультразвука.

Реакция биологической системы на повышение температуры обу­словлена разными причинами: первичными повреждениями клеточ­ных элементов; совокупностью нарушений, вторично развивающихся в клетках и прямо или косвенно зависящих от первичных поврежде­ний; синтезом термотоковых белков, обеспечивающих реактивное повышение стабильности клеточных компонентов и ответ на повыше­ние температуры; репарацией повреждений, осуществляемой не толь­ко после прекращения нагревания, но и во время него.

Кроме того, градиент температур между содержимым клетки и внеклеточной средой, возникающий при ультразвуковом воздействии с частотой 1 МГц и интенсивностью 1 Вт/см2, достигает 2…5 град/см. При таком градиенте температуры в результате термодиффузии через мембрану будет ускоряться транспорт веществ в одну сторону и за­медляться их перенос в противоположном направлении. С увеличени­ем интенсивности ультразвука или его частоты градиент температур на мембране возрастает.

1.4. ОТРАЖЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА

Ультразвуковые волны, как и любые другие волны, при падении на границу раздела двух сред с разными акустическими свойствами час­тично отражаются, а частично преломляются и переходят в другую сре­ду. Доля энергии волн, перешедшей из одной среды в другую, зависит от соотношения между акустическими сопротивлениями этих сред.

Коэффициент отражения акустических волн от границы двух сред равен отношению интенсивностей отраженной и падающей волн. Если волна падает па поверхность перпендикулярно к ней, то коэффи­циент отражения может быть вычислен по формуле Релея:

где  и  - акустические сопротивления, соответственно, первой и второй сред.

Из формулы Рэлея следует, что чем больше различаются между со­бой акустические сопротивления, тем меньше доля энергии, переноси­мой волной через границу раздела. Так, интенсивность ультразвуковой волны, перешедшей из воды в воздух, составляет веет ОД % интенсив­ности волны, падающей на поверхность воды, а 99,9 % отразится от гра­ницы вода-воздух. Именно поэтому при терапевтическом воздействии ультразвуком или его применении в диагностических целях необходи­мо следить, чтобы между излучателем ультразвука и поверхностью тела всегда была прослойка жидкости - специального геля, воды, глицери­на, вазелинового масла, раствора лекарства. В противном случае аку­стический кот-акт будет нарушен, и ультразвуковая волна не дойдет до биологических тканей, так как она практически целиком отразится от прослойки воздуха. Отражение ультразвука наблюдается также на гра­ницах тканей с различными акустическими свойствами, например на границе мышцы и надкостницы, на поверхности полых органов и в ряде других случаев.

Если ультразвуковая волна отражается от поверхности, перпенди­кулярной к направлению ее распространения, то падающая и отра­женные волны накладываются друг на друга. В случаях, когда между излучателем и отражающей поверхностью укладывается целое число полуволн, в среде возникает так называемая стоячая волна.

Падающая и отраженная волны переносят энергию в противопо­ложных направлениях, поэтому в стоячей волне нет суммарного пере­носа энергии. Энергия распределяется между пучностями и узлами колебаний, В этом случае действие ультразвука можно оценить по ам­плитуде переменного давления, которое в пучностях стоячей волны вдвое превышает давление и исходных бегущих волнах. Давление в пучностях стоячей волны

где  - интенсивность излучения, т. е. количество энергии, излучае­мой с единицы поверхности излучателя;

 - акустическое сопротивление среды.

Стоячие волны в жидкостях, содержащих взвешенные в них мел­кие частицы (например, тушь) водном растворе желатина или ка­пельки масла в водной эмульсии), легко наблюдать невооруженным глазом. Частицы, в зависимости от их свойств, концентрируются либо в пучностях, либо в узлах стоячей волны, образуя слои, расположен­ные на расстоянии, равном половине длины полны.

Если при отражении часть энергии ультразвука рассеивается или переходит в среду, составляющую преграду, то амплитуда отраженной волны оказывается меньше, чем амплитуда падающей, и в жидкостях (или биологических тканях, близких по свойствам к жидкостям) сочетаются стоячая и бегущая волны.

В биологических объектах также могут возникать стоячие волны в результате отражения от границ между тканями с различными акусти­ческими свойствами. В реальных условиях образование стоячих волн можно ожидать при воздействии ультразвуком на ушную раковину, брюшной пресс, мышечные слои, на кровеносные сосуды и т. д. Воз­можно именно за счет стоячих волн эритроциты под действием ультра­звука с частотой 1 МГц и интенсивностью излучения ОД Вт/см2 образу­ют в кровеносных сосудах лягушки и куриного эмбриона сгустки, рас­положенные на расстоянии, равном половине длины волны.

Можно показать, что скорость перемещения отдельных эритроци­тов как в бегущей, так и в стоячей волне, невелики и сами по себе не могут обеспечить быстрое сближение эритроцитов и образование аг­регатов, тем более что силам, обеспечивающим взаимное сближение, противодействуют силы отталкивания между одноименно заряжен­ными клетками. Именно эти силы электростатического отталкивания препятствуют слипанию эритроцитов в нормальных условиях. Одна­ко поверхностный заряд клеток под действием ультразвука заметно уменьшается, что способствует образованию агрегатов. Сила взаимо­действия между частицами в ультразвуковом поле пропорциональна кубу их линейных размеров, поэтому начавшаяся агрегация идет с возрастающей скоростью. Эти агрегаты, очевидно, будут перемещать­ся и зону низкого давления и концентрироваться в узлах стоячей вол­ны, образуя сгустки, что и подтверждается модельными опытами.

В зависимости от того, стоячая или бегущая волна возникает в биологическом объекте, меняется и его реакция на ультразвук. Так, 30 % яиц дрозофилы в гелеобразной среде погибает при 10-мипутном воздействии ультразвука с интенсивностью излучения 3 Вт/см2 и по­ле бегущей волны и интенсивностью излучения 1 Вт/см2 , если созда­ются условия, способствующие возникновению стоячих волн.

1.5. ИСКАЖЕНИЕ ФОРМЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ

В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

Ультразвуковая волна, распространяясь, остается синусоидальной только в том случае, если свойства среды не меняются под влиянием распространяющейся в ней волны. Такое условие приближенно вы­полняется только при весьма низких интенсивностях ультразвука.

Скорость ультразвука и коэффициент его поглощения существен­но зависят от температуры. В слое, где температура повышена, возму­щение передается быстрее, чем в слое, где температура понижена, по­этому профиль волны немного искажается.

Ультразвуковая волна, падающая на границу твердого тела и жидко­сти, возбуждает на поверхности твердого тела поперечные поверхност­ные волны. Энергия этих волн локализуется в тонком приповерхност­ном слое с толщиной, не превышающей две длины волны. Коэффициент затухания поверхностных волн значительно выше коэффициента погло­щения плоских волн той же частоты в однородных средах. Именно по­этому под действием ультразвука, например, в надкостнице, выделяется много тепла, что при достаточно высокой интенсивности может привес­ти к болевым ощущениям, к отслоению мышечной ткани или другим не­желательным эффектам.

1.6. АКУСТИЧЕСКИЕ ТЕЧЕНИЯ

Ультразвуковая волна, распространяясь в среде, теряет часть своей энергии. Эта энергия частично переходит в теплоту, а частич­но передается массе вещества в виде механического импульса, что приводит в жидких и газообразных средах к возникновению регу­лярных течений. Эти течения называются акустическими и легко возникают в неоднородном ультразвуковом ноле или около различ­ных препятствий.

При ультразвуковом воздействии важно учитывать течения в по­граничном слое у поверхности препятствий, помещенных в ультразву­ковое поле. В последнем случае характерные масштабы акустических потоков определяются толщиной акустического пограничного слоя, где амплитуда колебания частиц жидкости меняется от 0 у самой по­верхности до 0,63 амплитуды а свободном объеме.

Толщина пограничного слоя h зависит от вязкости  и плотности  жидкости, а также от частоты  ультразвука. Она намного меньше длины волны ультразвука и рассчитывается по формуле

Например, для биологических жидкостей () при частоте ультразвука 1 МГц толщина пограничного стоя составит примерно 4.10-6м (0,004 мм), что значительно меньше длины волны ( = 1,5 мм).

Отношение разности скоростей на границах слоя к его толщине (градиент скорости) может в биологической среде достигать весьма зна­чительной величины. Например, при интенсивности ультразвука 1 Вт/см2 и частоте 1 МГц градиенты скорости 104…105с-1. Этого более чем достаточно для разрыва клеточных мембран, нарушений внутрикле­точной структуры, для деградации вирусов, молекул ДНК, РНК и пр.

Особое внимание привлекают вихри, рождающиеся вблизи пуль­сирующего газового пузырька. Если этот пузырек находится вдали от границ и в процессе пульсаций не меняет своей формы (остается сфе­рическим), вокруг него не могут возникнуть вихревые потоки. Потоки возникают, если пузырьки находятся вблизи поверхности жидкости, около твердой стенки или если форма пузырьков периодически изме­няется. Такие пузырьки в огромном количестве появляются в жидко­сти при кавитации.

Предельную скорость течения вблизи колеблющегося у твердой стенки пузырька можно оценить, пользуясь выражением

где Us ~ радиальная скорость границы пузырька;

а - средний радиус пузырька;

- круговая (циклическая) частота.

В воде, облучаемой ультразвуком с частотой 1 МГц, средний ради­ус пузырька составляет 2 мкм, 4м/с, максимальная скорость мик­ропотоков вблизи него равна примерно 1 м/с.

Микропотоки могут возникать и при взаимодействии ультра­звуковой волны с микронеоднородностями, имеющими отличную от среды плотность, например, при взаимодействии с органеллами клеток.

Весьма вероятно, что многие биологические эффекты, наблюдае­мые под действием ультразвука, - уменьшение числа гранул гликоге­на в клетках, разрушение лизосом, изменения в ультраструктуре мышц, в свойствах клеточных мембран и др. - обусловлены и основ­ном ультразвуковыми микропотоками.

1.7. Коллоидный вибропоткнциал в механизме

биологического действия ультразвука


Если ультразвуковая волна распространяется в однородной среде, например в чистой воде, то все частицы среды колеблются около сво­их положений равновесия с одинаковой амплитудой. Если же в среде присутствуют частицы другой природы ионы, коллоидные частицы, клетки, - то амплитуда их колебаний будет тем меньше, чем больше масса (и, следовательно, инерция) частицы и чем больше коэффици­ент трения между частицей и средой.

В растворах электролитов или коллоидных растворах, а также в суспензиях заряженных частиц ври распространении ультразвуко­вой волны амплитуды и фазы колебаний разноименно заряженных частиц могут быть различными, В среде возникает переменный электрический потенциал, который называют вибропотенциалом, или в честь ученого, обнаружившего этот эффект, - потенциалом Дебая.

Вибропотенциал характеризуют отношением переменной разно­сти потенциалов между двумя произвольными точками, расположен­ными в направлении распространения волны к амплитуде скорости. При частотах, превышающих 0,5 МГц, вибропотенциал мало зависит от частоты.

Для растворов хлористого натрия и других 1-иалентиых электро­литов вибропотенциал весьма мал и равен 3...10 мкВ . с/см. Более вы­сокие значения наблюдаются в полиэлектролитах, а в коллоидных растворах эффект достигав) значения 1...10 мкВ . с/см.

Предполагается, что коллоидный вибропотенциал обусловлен пе­риодическим нарушением структуры двойного электрического слоя вследствие того, что массивная, несущая заряд коллоидная  частица обладает значительно большей инерцией, чем окружающие ее легкие противоионы.

Коллоидный вибропотенциал можно оценить по формуле

где с - скорость ультразвука в среде;

v - амплитуда скорости;

 - диэлектрическая проницаемость среды;

 - электрокинетический потенциал;

m - масса коллоидных частиц в единице объема;

 - удельное электрическое сопротивление среды;

 - вязкость среды.

Подставляя в эту формулу (при v=10-3 м/c; c=1,4.103 м/с;  50...60 Ф/м для водных растворов) значения, характерные для биологических объектов  клеток примерно 50 мВ;  - 104 Ом/м;  примерно 0,25 Пз), и учитывая, что масса клетки , где средняя плотность клетки d= 1,1 -103 кг/м3, радиус клетки а= 5мкм и клетки занимают примерно 0,9 объема всей ткани, получают 10мВ. Это значение сравнимо по величине с мембранными потен­циалами клетки (10…50 мВ),

Действие вибропотенциала прекращается сразу после выключе­ния ультразвука. Однако и повышенная проницаемость, и понижен­ная электропроводность мембран сохраняются в течение 20...30 мин после ультразвукового воздействия. Такое последействие может быть обусловлено сдвигами в процессах функционирования клетки, напри­мер нарушением метаболизма, при изменении (под влиянием ультра­звука) соотношения ионов внутри и вне клетки. Время, необходимое для восстановления нормального функционирования клетки, может измеряться десятками минут.

1.8. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КАВИТАЦИЯ

Ультразвуковая кавитация - возникновение в жидкости, облучае­мой ультразвуком, пульсирующих и захлопывающихся пузырьков) за­полненных паром} газом или их смесью.

Кавитационные пузырьки в распространяющейся в жидкости ультразвуковой волне возникают и расширяются во время полупериодов разрежения и сжимаются после перехода в область повышенного давления.

В идеальных однородных жидкостях пузырьки могут возникнуть лишь при весьма высоких растягивающих усилиях (отрицательных давлениях), превосходящих прочность жидкости.

Прочность реальных жидкостей довольно низка из-за того, что в них всегда достаточно много зародышей кавитации - микропузырь­ков газа, пылинок гидрофобных частиц и т. д. Возможно также, что за­родыши кавитации непрерывно возникают при прохождении через жидкость космических частиц, а затем снова растворяются. Пузырьки газа с диаметром 10-5 см, по-видимому, могут сколь угодно находить­ся в иоде, если их поверхность стабилизирована органическими за­грязнениями, обычно присутствующими в «чистой» воде.

Кроме того, предполагается, что микропузырьки газа, даже не ста­билизированные органикой, в принципе, не могут раствориться из-за особенностей структуры воды в межфазном слое жидкость - газ, огра­ничивающем пузырек.

Порогом кавитации называется интенсивность ультразвука, ни­же которой не наблюдаются кавитационные явления.

Порог кавитации зависит от параметров, характеризующих как ультразвук, так и саму жидкость.

Для воды и водных растворов пороги кавитации возрастают с уве­личением частоты ультразвука и уменьшением времени воздействия.

При импульсном ультразвуковом воздействии порог зависит от длительности импульса и достигает максимума при 0,06...0,6 мкс. По­рог кавитации повышается и при уменьшении объема жидкости, так как, чем меньше объем, тем меньше в нем зародышей кавитации. Этим, очевидно, и объясняются высокие значения порогов для фоку­сированного ультразвука. Микронеоднородности в виде пылинок, микроорганизмов, молекул растворенного газа или ионов снижают порог кавитации в жидкой среде.

При интенсивностях ультразвука, не намного превышающих порог кавитации, микропузырьки газа в жидкости пульсируют от­носительно равновесного радиуса и постепенно увеличиваются в объеме.

При расширении пузырьков-зародышей, попадающих в область пониженною давления, в пузырек испаряется жидкость и диффунди­рует растворенный в жидкости газ. Если температура жидкости зна­чительно ниже точки кипения, то пузырьки растут главным образом в результате диффузии.

При повышении давления в следующую половину периода колеба­ния пузырек сжимается, направление диффузии меняется, и молекулы диффундируют из пузырька в жидкость. Количество продиффундировавшего газа пропорционально площади поверхности пузырька. Эта площадь в стадии сжатия меньше, чем в стадии расширения. Поэтому количество газа, попадающего в пузырек при расширении, несколько больше количества газа, выходящего из пузырька при его сжатии. По­этому после каждого цикла сжатия-растяжения в пузырьке остается избыток газа.

Накопление газа а пузырьке, обусловливающее рост среднего разме­ра пузырька в поле переменного давления, называется выпрямленной, или направленной, диффузией.

Диффузионный механизм обеспечивает сравнительно медлен­ный рост зародышей, и при высокой частоте ультразвука они успе­вают совершить значительное число пульсаций, прежде чем достиг­нут резонансных размеров. Амплитуда пульсации пузырька с резо­нансными размерами (для данной частоты ультразвука) будет максимальной.

Размер резонансной полости в воде для частоты ультразвука в диапазоне 500... 1000 кГц можно рассчитать по формуле

где  - резонансный радиус пузырька, мкм;

частота ультразвука, кГц,

Для частот, превышающих 1МГц, значения в связи с возрас­тающей ролью поверхностного натяжения оказываются несколько выше, чем вычисленные но приведенной формуле.

Так, при частотах 1, 5 и 10 МГц и воде  равен 3,6; 0,95 и 0,56 мкм соответственно, в то время как, рассчитывая по формуле, по­лучаем величины, равные 3,0; 0,6 и 0,3 мкм.

Необходимо отметить, что на частотах, превышающих 1 МГц, ре­зонансные эффекты проявляются слабее, чем в диапазоне более низ­ких частот.

Колебательная скорость стенки пузырька, размеры которого близки к резонансному, может намного превышать колебательную скорость частиц в ультразвуковой волне, что позволило назвать кавитационные пузырьки усилителями скорости.

Если ультразвуковое поле неоднородно, то пузырьки не только пульсируют, но и движутся поступательно.

В стоячей волне, например, пузырьки движутся к пучностям дав­ления, если их размеры меньше резонансного, и к узлам давления, ес­ли они превышают по размеру резонансные пузырьки. Нередко пу­зырьки в ультразвуковом поле осциллируют - колеблются около не­которого положения равновесия.

Пульсирующие в течение многих периодов пузырьки называются стабильными полостями, а само явление, связанное с существованием в жидкости таких пузырьков, - стабильной кавитацией.

Повышение интенсивности ультразвука приводит к нестабильной кавитации: пузырьки довольно быстро (за несколько периодов) дос­тигают резонансного размера, стремительно расширяются, после чего резко захлопываются.

Предполагается, что при захлопывании содержащаяся в пузырьке парогазовая смесь, адиабатический (не успевая обменяться теплом с ок­ружающей средой) сжимается до давления 105 Па (300 атм) и нагрева­ется до температур порядка 8000... 12000 К. Известно, что уже при 2000 К около 0,01 % молекул Н2О внутри пузырька диссоциируют на водородные II и гидроксильные ОН свободные радикалы. Эти радика­лы могут рекомбинировать с образованием электронновозбужденных состояний молекул H2O*:

При переходе молекул Н2О* из электронновозбужденного со­стояния в основное высвечивается квант света - происходит сонолюминесценция.

Свободные Н и ОН радикалы могут диффундировать в раствор и вступать в реакции с растворителем или растворенными веществами, инициируя радикальные химические процессы.

Захлопывающиеся кавитационные пузырьки порождают в жидко­сти мощные импульсы давления и ударные волны.

Кавитация в жидкости сопровождается различными явлениями:

  • характерным шумом во всем диапазоне частот и сильным аку­стическим сигналом на частоте, равной половине частоты ультразву­ка, вызвавшего кавитацию;
  • ускорением одних химических реакций и инициированием других;
  • интенсивными микропотоками и ударными волнами, способны­ми перемешивать слои жидкости и разрушать поверхности гранича­щих с кавитирующей жидкостью твердых тел;
  • ультразвуковым свечением а также различными биологически­ми эффектами.

Вследствие концентрирования энергии в очень малых объемах ультразвук может вызывать такие явления, как разрыв химических связей макромолекул, инициирование химических реакций, эрозию поверхностей твердых тел и свечение.

1.9. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

Химические реакции в воде, водных и неполных растворах, об­лучаемых ультразвуком, обнаружены давно. Множество экспери­ментов позволяет сделать вывод, что химические эффекты ультра­звука связаны с кавитацией, хотя имеются данные, что некоторые эффекты механохимической природы, например деполимеризация ДНК в растворе или изменения в свойствах жидких кристаллов, наблюдают при интенсивностях ультразвука, лежащих ниже порога кавитации.

Подъем температуры (-103 К) и давления (-108 Па) при захлопы­вании кавитационных пузырьков даже в чистой, дегазированной воде инициирует образование внутри пузырьков и в их окрестности сво­бодных водородных Н и гидроксильных ОН радикалов:

Эти радикалы рекомбинируют, возбуждая сонолюминесценцию:

или диффундируют в объем и вступают в реакции с растворителем или растворенными веществами, инициируя радикальные химиче­ские процессы.

При рекомбинации радикалов ОН образуется пероксид водорода Н2О2:

Хорошо известно, что водородпероксид - активный инициатор окислительно-восстановительных реакций с различными веществами в растворах.

Убедительным доказательством образования свободных ради­калов является их регистрация методами электронного парамаг­нитного резонанса (ЭПР) и спиновых ловушек (радикал-скавенджеров).

Косвенным доказательством существования свободных радика­лов при кавитации является образование водородпероксида.

Накопление водородпероксида при воздействии на растворы ультразвуком наблюдают с помощью подходящего окислительно-вос­становительного индикатора, например калий йодида KI, в присутст­вии катализатора - молибдата аммония;

Концентрацию  измеряют спектрофотометрически на длине полны 350 нм (коэффициент экстинкции 25000 л.моль/см). Количест­во йода равно количеству образовавшегося водородпероксида.

Концентрация водородпероксида пропорциональна времени ультразвукового воздействия, поскольку рекомбинация радикалов ОН является реакцией первого порядка по ОН радикалам. Накопле­ния водородпероксида удобно использовать для ультразвуковой до­зиметрии.

По данным разных авторов, акустико-энергетический (хими­ко-акустический) выход водородпероксида имеет значение порядка 1020 молекул/кДж, т. е. на 1 кДж поглощенной звуковой энергии обра­зуется примерно 10 4 моль Н2О2.

Для оценки интенсивности ультразвука могут быть использованы и другие простые реакции.

Так, скорость образования азотистой HNO2 и азотной HNO3 ки­слот в воде, насыщенной воздухом, прямо пропорциональна интен­сивности ультразвука в диапазоне от 0,6 до 4 Вт/см2. Более сложные реакции, например реакции с биополимерами, непригодны для этой цели, так как зависимости скоростей ультразвуковых химических ре­акций с участием макромолекул ог интенсивности ультразвука имеют сложный характер.

Образование азотистой HNO2 и азотной НNОз кислот в присутст­вии растворенного азота весьма существенно при ультразвуковом воз­действии на биологические объекты. Эти кислоты и их ангидриды мо­гут активно реагировать с биоорганическими молекулами и оказывать сильное повреждающее действие.

Одним из вероятных механизмов образования кислородсодержащих соединений азота является взаимодействие молекулярного азота N2 с продуктами сонолиза поды.

Экспериментально показано, например, что при температурах по­рядка 600К в автоклаве (без ультразвука) идет реакция связывания молекулярного азота:

Предположение, выдвигаемое в некоторых работах, о распаде мо­лекулярного азота N2 на атомы:

не имеет достаточных экспериментальных доказательств.

Возникшие при сонолизе свободные водородные Н и гидроксильные ОН радикалы в присутствии кислорода инициируют окисление биоорганических соединений в организме, подвергаемом ультразвуко­вым воздействиям.

Окисление органических соединений в жидкой фазе хорошо изучено. Этот процесс является сложной радикально-цепной реак­цией с вырожденным разветвлением. При действии ультразвука процесс описывается следующей принципиальной схемой (здесь RH - соединение с органическим радикалом R и подвижным ато­мом водорода Н):

Зарождение цепи, или образование радикалов (Wi - скорость об­разования радикалов Н и OH под действием ультразвука на водные растворы);

Продолжение цепи:

где RO2 - органический пероксидный радикал;

ROOH - органический пероксид;

Разветвление цепи:

Совокупность реакций (1 -6) представляет общую схему окисления органических веществ.

В зависимости от природы биоорганических соединений RH и усло­вий окисления (скорость Wi и концентрации RH, О2, ROOH) механизм и скорость процесса могут значительно различаться. Особенно легко окисляются липиды клеточных мембран. Поэтому рассмотренный меха­низм широко известен как пероксидное окисление липидов (ПОЛ). Со­ответственно под RH и ROOH следует понимать липид и его пероксид.

По механизму взаимодействия с радикалами биоорганические со­единения RH можно разбить па три основных класса.

К первому классу относят соединения R1H, взаимодействующие с пероксидными радикалами RO2:

К этим соединениям относятся фенилаланин, триптофан, токофе­ролы. Скорость реакции этих веществ с RO2 зависит от константы скорости  реакции (7) и стехиометрического коэффициента  - числа цепей, которые обрывает одна молекула ингибитора. Очень часто =2. Механизм реакции (7) зависит также от радикала R1. Если этот радикал достаточно активен и до того, как прореагирует с RO2 (или с R) вступит в реакцию с RH или ROOH с образованием активных R или RО2, то это ослабит его взаимодействие с RO2;

 (реакция, обратная 7)

К второму классу относят соединения R1H, взаимодействующие с гидропероксидом ROOH с образованием свободных радикалов:

Обычно эта реакция протекает медленно, но в некоторых случаях ее необходимо учитывать.

Реакция соединения R1H с кислородом

протекает очень медленно из-за высокой эндотермичности (105...150кДж/моль) и низкой концентрации растворенного в окисляющемся веществе кислорода.

К третьему классу относят соединения, обрывающие цепи в ре­зультате взаимодействия с алкильными радикалами. К таким соедине­ниям относятся хиноны, йод. Например:

Соединения, разрушающие гидропероксиды без образования сво­бодных радикалов, например, метионин, дисульфиды пептидов, тор­мозят пероксидное окисление:

Смесь таких веществ-антиоксидантов в клетке может привести к сильному тормозящему действию. При этом тормозящий эффект сме­си может превосходить сумму эффектов тормозящего действия каж­дого из компонентов. Данное явление называется синергизмом.

Характер влияния ультразвука на химические реакции зависит от многих факторов: от частоты и интенсивности акустических колебаний, от температуры и давления, от природы и концентрации раство­ренных газов.

Некоторые реакции лишь ускоряются в ультразвуковом поле, другие же без воздействия ультразвука вообще не происходят.

Реакции, протекающие лишь при ультразвуковом инициировании в гомофазных растворах, представляют особый интерес и могут быть условно разделены на несколько классов.

  1. Реакции между газами, парами воды и веществами с высокой упругостью пара в газовой фазе внутри кавитационной полости.

При схлопывании внутри кавитационного пузырька и в малой ок­рестности вокруг него температура и давление значительно выше кри­тических для растворителя. Следовательно, локально достигаются сверх критические состояния, В таких условиях молекулы как раство­рителя, так и растворенных веществ, подвергаются термическому рас­паду с образованием атомов и радикалов. Наиболее детально изучен распад воды с образованием радикалов H и ОН Установлено эффек­тивное разложение четыреххлористого углерода при ультразвуковой обработке.

Менее 10% радикалов Н и ОН, образующихся в кавитационном пузырьке из-за процессов рекомбинации, достигают жидкой фазы. При взаимодействии радикалов (при отсутствии молекул-захватчиков или частиц твердой фазы) образуется Н2О2. Образующийся при рекомбинации радикалов ОН водород пероксид ответственен за боль­шинство реакций окисления, изучавшихся в водных растворах при ультразвуковой обработке. Сюда можно отнести, например, реакции окисления; .

Многие авторы отмечают, что заметному разложению при ультра­звуковой обработке подвергаются вещества, летучесть которых не­сколько выше или сравнима с летучестью растворителя при данной температуре. Тогда внутри кавитационного пузырька давление пара растворенного вещества будет больше или сравнимо с давлением пара растворителя.

Если летучесть вещества значительно меньше летучести раство­рителя, то воздействие ультразвука может осуществляться только че­рез другие механизмы.

  1. Окислительно-восстановительные реакции, которые идут в жидкой фазе между растворенными веществами и образующимися в пузырьках продуктами ультразвукового расщепления молекул воды, газов и проникающих в кавитационную полость веществ с высокой упругостью парой.
  2. Цепные реакции в растворе, инициируемые не радикальными продуктами Н и ОН распада молекул НзО, а каким-либо другим ве­ществом, присутствующим в растворе и расщепляющимся в кавитационной полости.

4. Ультразвуковые химические реакции с участием синтетических и биологических полимеров.

Энергетический выход продуктов химических реакций, иниции­руемых ультразвуком, как правило, невелик. Поэтому на практике эти реакции используют лишь в исключительных случаях: либо когда нет другого способа получения продуктов, либо когда с ценой результата не приходится считаться.

Например, ультразвук нашел применение для инициирования по­лимеризации используемых в медицине и ветеринарии акрилатных клеев при ультразвуковой «сварке» костей и мягких тканей.

Следует отметить, что при ультразвуковом воздействии интен­сификация диффузионных процессов в результате перемешивания жидкости (акустические потоки) может принести к ускорению хи­мических процессов, протекающих в обрабатываемых растворах, однако этот эффект не связан с прямым химическим действием ультразвука,

Механохимические ультразвуковые эффекты и продукты реак­ций в кавитационных полостях в определенных условиях могут обу­словить существенные изменения в биологических средах и должны учитываться при обсуждении механизма биологического действия ультразвука.

Ультразвуковая эрозия - это стойкие механические изменения на поверхности тел, граничащих с кавитирующей жидкостью, явля­ется результатом наложения химических, электрических и механи­ческих факторов, причем последним, очевидно, принадлежит ос­новная роль.

1.10. УЛЬТРАЗВУКОВОЕ СВЕЧЕНИЕ

Ультразвуковое свечение - это слабое свечение воды и некоторых других жидкостей, помещенных в ультразвуковое ноле. В разное вре­мя было выдвинуто более десяти гипотез, в той или иной мере объяс­нявших экспериментальные данные.

Первая группа гипотез основана на предположении о нагревании содержимого захлопывающегося пузырька до высоких температур. Другая группа гипотез - па представлении о возможности разделения зарядов на стенках пульсирующей полости, что приводит к электриче­скому пробою, который, как и высокие температуры, может иниции­ровать свечение и химические реакции.

Наряду с ионами и радикалами, долго существующими в среде, где нет веществ, способных с ними реагировать, в кавитационной по­лости образуются возбужденные молекулы, в том числе H2O*, кото­рые уже спустя 10-9...10-8 с спонтанно возвращаются в исходное со­стояние, либо выделяя избыточную энергию в виде кванта электро­магнитного излучения, либо рассеивают ее в виде теплоты.

В воде, насыщенной воздухом, под действием ультразвука с часто­той 880 кГц кавитация начинается при средней интенсивности (SATA) 0,12 Вт/см2 (максимальная интенсивность 0,3...0,5 Вт/см2). При боко­вом освещении в воде, облучаемой ультразвуком, можно видеть обла­ко пузырьков разных размеров, часть которых уносится из кавитационной зоны акустическими потоками. Практически одновременно с образованием пузырьков возникает ультразвуковое свечение, начинаются химические реакции и регистрируется шум в широком диапазо­не частот, а также ярко выраженная субгармоническая составляющая на частоте 440 кГц.

Увеличение частоты ультразвука приводит к повышению порога кавитации.

Зависимости интенсивности ультразвукового свечения, скорости химических реакций и электропроводности воды от интенсивности ультразвука имеют одинаковый характер, что доказывает их связь с кавитацией и отражает природу процессов, протекающих в пузырь­ках. Зависимость ультразвукового свечения от свойств растворенных в жидкости веществ позволяет использовать его в диагностических целях, например, в тех случаях, когда патологические процессы связа­ны с выбросом в плазму крови соединений, влияющих па ее свечение, возникающее при кавитации.

1.11. ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА ВОДУ И ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ

Если кубик льда подвергнуть действию ультразвука, льда внутри мутнеет и останется мутным, как бы запомнив результат ультразвуко­вого воздействия.

Жидкая вода «помнит» любое, в том числе и ультразвуковое, воз­действие лишь короткое время 10-9...10-12с. Поэтому неправомерно объяснять ультразвуковые эффекты «структурной памятью» поды.

Нетрудно подсчитать, что в этом случае ближайшие молекулы во­ды соседствуют па поверхности пульсирующего пузырька в течение примерно 10-9с. Следовательно, при кавитации поверхность пузырь­ка не успеет сформироваться, и в этом случае поверхностное натяже­ние будет отличаться от поверхностного натяжения покоящейся воды.

Очевидно, что если в разных участках поверхности пузырька на­тяжение окажется различным, то пульсирующий пузырек потеряет сферическую форму и станет источником энергичных микропотоков, способных обусловить ряд биоэффектов.

1.12. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КАВИТАЦИЯ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДАХ

В медицинской и ветеринарной практике, в биотехнологии и экс­периментальной биологии используется воздействие ультразвуком самых разных параметров на среды с неодинаковыми физико-химическими свойствами. В каждом случае вопрос о возможности возникно­вения кавитации должен рассматриваться отдельно, так как пороги кавитации и ее активность зависят от параметров ультразвука и свойств среды.

1.12.1.   Кавитация в суспензии клеток

При повышении интенсивности ультразвука до значений, когда в среде возникают механические усилия, сравнимые с прочностью кле­точных мембран, начинается процесс разрушения клеток. Обычно по­явление значительных механических возмущений в жидкостях связа­но с возникновением в них стабильных и нестабильных газовых пу­зырьков, которые могут образоваться в воде и водных средах, если интенсивность ультразвука превышает порог кавитации.

Гак, клетки одноклеточной водоросли Scandesmus Guadricanda на­чинают разрушаться при усредненной но пространству интенсивности, равной 0,2.,ДЗ Вт/см2, при частоте 1 МГц, что соответствует порогу ка­витации в водных суспензиях с небольшой концентрацией клеток. Ско­рость разрушения клеток увеличивается с увеличением интенсивности ультразвука. Число разрушенных в единицу времени клеток пропор­ционально числу кавитационных событий.

Свечение фотобактерий в суспензии или синтез интерферона лей­коцитами резко подавляется при возникновении ультразвуковой ка­витации. Подавление кавитации каким-либо способом обычно защи­щает клетки от разрушения и даже от более тонких изменений.

Скорость разрушения амебы Actanamoeba castellanii уменьшается, если облучать импульсным ультразвуком клетки, суспендированные в растворе желатина, порог кавитации в котором из-за его большой вяз­кости значительно выше, чем в воде.

Этим же объясняется снижение скорости ультразвукового разру­шения эритроцитов при увеличении их концентрации, вплоть до поч­ти полной остановки гемолиза, если суммарный объем частиц в сус­пензии достигает 2 %, что соответствует высоким значением эффек­тивной вязкости среды.

Самого факта появления пульсирующих газовых пузырьков в среде еще недостаточно для разрушения клеток. Эффект наблюдается, если амплитуда пульсаций пузырьков возрастает до определенной ве­личины. Величина эта различна для разных клеток, зависит от их фор­мы и размера, а также прочности цитоплазматической мембраны и на­личия цитоскелета.

Разрушение лейкоцитов в поле стабильных, пульсирующих с частотой 20 кГц пузырьков начинается при увеличении амплитуды колебаний до 8 мкм, высвобождение гемоглобина из эритроци­тов - при 15...20 мкм. Очевидно, что эти эффекты обусловлены воз­никновением достаточно больших гидродинамических усилий вбли­зи колеблющегося пузырька, нарушающих целостность клеточных мембран.

При высоких частотах ультразвукового воздействия на суспензию клеток механизмы разрушения также имеют механическую природу. Пороговая интенсивность ультразвука, вызывающего гибель клеток, зависит как от частоты ультразвука, так и от типа клеток. Например, порог разрушающего действия ультразвука для клеток одной из попу­ляций элодеи равен 75 мВт/см2 и находится в области 0,65 МГц, а для двух других популяций элодеи гибельная для клеток минимальная интенсивность равна 180 мВт/см2 (5 МГц).

Ультразвуковая дезинтеграция клеток получила широкое приме­нение » биотехнологии, в биохимических и вирусологических иссле­дованиях для выделения отдельных веществ или фрагментов клеток, а также в лабораторной диагностике для определения механической ре­зистентности клеточных мембран (см. § 2,4).

1.12.2. Кавитация в тканях под действием низкочастотного ультразвука

В ряде случаев для получения требуемого биологического эф­фекта используют непрерывный ультразвук довольно большой мощности, с частотой 20…44 кГц, Источником такого ультразвука являются, например, хирургические инструменты, режущая кромка которых вибрирует с ультразвуковой частотой, что существенно об­легчает резание тканей; вибрирующие инструменты для стоматоло­гии и пр. Амплитуды колебания ультразвуковых хирургических ин­струментов в рабочем режиме достигают весьма больших значений, при которых вероятность возникновения кавитации в тканях весь­ма велика. Подтверждением этому может служить слабый харак­терный шум при иссечении мягких тканей, аэрозоль (туман), обра­зующийся при разрушении папиллом ультразвуковым зондом, ультразвуковое свечение.

1.12.3. Кавитация в тканях под действием высокочастотного ультразвука

Вопрос о кавитации в биологических тканях под действием ульт­развука с частотой 1 МГц и интенсивностью 0,05…2 Вт/см2 является предметом многолетней дискуссии. Сложность идентификации кави­тации в ткани обусловлена ее относительной непрозрачностью, препятствующей непосредственному наблюдению и затрудняющей при­менение оптических методов.

Факт протекания кавитационных процессов в данной среде мо­жет быть надежно установлен при одновременном появлении, но крайней мере, трех эффектов, сопровождающих кавитацию; харак­терного шума, ультразвуковых химических реакций или свечения, микропотоков.

Косвенным подтверждением возможного возникновения кавита­ции в тканях могут служить «дыры», обнаруженные на гистологиче­ских препаратах тканей печени и других органов, облученных ультра­звуком с частотой 1 МГц и интенсивностью 0,05…2 Вт/см3.

Пороги кавитации для фокусированного ультразвука в тканях не более чем в 1,5-2 раза выше, чем и отстоявшейся водопроводной воде. Гели это соотношение сохраняется и для плоской бегущей волны, то кавитацию в тканях можно ожидать при интенсивности, превышаю­щей 0.6 Вт/см2, так как теоретический порог кавитации в во­де около 0,3 Вт/см2.

Основными признаками акустической кавитации в воде и вод­ных средах, насыщенных воздухом, помимо характерного шума можно считать ультразвуковое свечение и синтез Н2О2, H2NO2, H2NO3 а также свободных радикалов и других химически актив­ных частиц. Эти явления наблюдаются в воде и разбавленных вод­ных растворах при интенсивности 0,3 Вт/см2 (SA), а в плазме крови при 0,8 Вт/см2.

Очевидно, что под действием ультразвука химически активные частицы могут образоваться непосредственно в клетке. Это мало отра­зится на картине ультразвукового повреждения, но может принести к самым неожиданным последствиям - нарушению обменных процес­сов в клетке, изменению ее наследственного аппарата и т. п.

Пожалуй, только при ультразвуковом воздействии источник све­чения - кавитирующий пузырек - может находиться вблизи или внутри самой клетки. Влияние этого излучения, особенно его ультра­фиолетовой составляющей, может обусловить, в зависимости от ин­тенсивности и условий облучения, стимуляцию и повышение жизне­способности клеток, находящихся в угнетенном физиологическом состоянии, торможение деления клеток и их отдаленную гибель, уве­личение проницаемости клеточных мембран, конфирмационные из­менения и молекуле ДНК, инактивацию некоторых ферментов и другие эффекты.

Измерение интенсивности ультразвукового свечения в оптически плотных животных тканях затруднительно, а идентификация образую­щихся в ультразвуковом поле частиц химическими или биохимическими методами практически невозможна, что обусловлено их малой концен­трацией и высокой химической активностью.

Использование в качестве модели относительно прозрачной ткани клубня картофеля позволяет измерить в ней интенсивность ультразву­кового свечения и определить пороги кавитации, сопровождающейся об­разованием химически активных частиц и, очевидно, другими, свойст­венными кавитации, эффектами.

Для определения порога кавитации клубень картофеля нареза­ют на пластинки толщиной 0,05...0,25 см. Пластинки «притирают» к поверхности излучателя ультразвука, слегка смоченного водой для обеспечения акустического контакта. Свечение ткани регистриру­ют с помощью фотоумножителя (рис. 1.6). Химически активные частицы в тканях при ультразвуковой кавитации определяют по свечению пластинок, предварительно вымоченных в течение не­скольких часов в растворе люминала. Реакция люминала с пероксидом водорода или OH-радикалами, как известно, сопровождается характерным голубовато-зеленым свечением.

При облучении ткани клубня картофеля непрерывным ультразву­ком с частотой 880 кГц свечение возникает при интенсивностях 0.3-0.4Вт/см2 (SA) и усиливается с увеличением интенсивности ультразвука.

Характер зависимости свечения ткани картофеля от интенсивно­сти ультразвука сходен с аналогичной зависимостью для воды и вод­ных растворов. Очевидно, что в обоих случаях ультразвуковое свече­ние обусловлено кавитацией.

Дополнительным свидетельством этому служит шум в ткани картофеля, регистрируемый с помощью гидрофона на частоте первой субгармоники (табл. 1.4), а также интенсивное свечение, возникающее при ультразвуковом облучении образ­цов, пропитанных люминолом. Оно обусловлено взаимодействием люми­нола с Н2О2 и ОН радикалами, которые образуются при ультразвуковой кави­тации. Минимальное значение интен­сивности ультразвука, вызывающее это свечение, также равно 0,3...0,4 Вт/см2.

Сравнение приведенных данных с зависимостью порога возникновения ультразвукового свечения от вязкости растворов глицерина (рис. 1.7) показы­вает, что пороги кавитации в ткани и в растворах с вязкостью 0,25 П одного порядка.

Рис. 1.6. Регистрация свече­ния ткани:

1 -фотоэлектронный умножитель;

2 - исследуемая ткань;

3 - источник ультразвука.

Таблица 1.4

Пороги ультразвуковых эффектов

Объект

Эффект

Порог (SA) Вт/сма

Вода

Пузырьки газа

0,10

Синтез Н202, H2N02  H2NO3

0,12

Ультразвуковое свечение

0,12

Ткань клубня картофеля

Акустический сигнал на частоте /2

0,10

Ультразвуковое свечение

0,30-0,40

Ультразвуковое свечение ткани, пропи­танной люминалом (синтез H2O2)

0,30-0,40

Акустический сигнал на частоте /2

0,20-0,30

Вязкость цитоплазмы достигает (предположительно) 1 П3. Одна­ко снижению порога кавитации в тканях, как указывалось ность, а также обусловленное внутриклеточными микротечениями обратимое уменьшение вязкости клеточного содержимого. выше, может способ­ствовать их гетерогенность, а также обусловленное внутриклеточны­ми микротечениями обратимое уменьшение вязкости клеточного содержимого.

Зависимость ультразвукового свечения ткани от ее толщины имеет периодический характер (рис 1.8), что обусловлено возникновением стоячих волн при высотах, кратных половине длины волны.

Исходя из этих данных и зная частоту ультразвуковых колеба­ний, можно оценить скорость ультразвука в ткани клубня картофеля. Она оказалась равной 1,6-103 м/с, что, по крайней мере в пределах точности измерения, не противоречит справочным данным.

Рис. 1.7. Зависимость порога кавитации от вязкости (и растворах глицерина)

Рис. 1.8. Зависимость интенсивности ультразвукового стечения ткани от ее толщины

Порог кавитации в жидкости заметно повышается при уменьше­нии облучаемого ультразвуком объема. Аналогичная зависимость, очевидно, существует и в биологических тканях, где порог кавитации при фокусировании ультразвука возрастает до значений, превышаю­щих 10 Вт/см2 (см. § 4.2). Столь высокие интенсивности ультразвука вызывают необратимое разрушение ткани в фокальной области.

1.12.4. Кавитация в тканях под действием «диагностического» ультразвука

В последнее время ультразвуковые методы все более широко при­меняются в медицине и ветеринарии. При этом соображения безопас­ности стимулируют постоянное снижение интенсивности диагности­ческого ультразвука при разработке новых методов, а для увеличения информативности и разрешающей способности ультразвуковых мето­дов требуется применение коротковолнового (высокочастотного) ультразвука. Однако с повышением частоты увеличивается поглоще­ние ультразвука тканями, и для визуализации внутренних органон не­обходим достаточно интенсивный ультразвук, обеспечивающий уве­ренный прием отраженного от глубоколежащих тканей сигнала По­иски компромисса привели к использованию в диагностике либо непрерывного ультразвука относительно низкой частоты (1...2 МГц) и невысокой интенсивности (меньше 0,05 Вт/см2), либо импульсного высокочастотного (до 10 МГц), мощного (до 500 Вт/см2) ультразвука с короткой длительностью импульсов (2...5 мкс) и невысокой часто­той их чередования (~1 кГц). Несмотря на высокую интенсивность в импульсе, усредненная по времени и пространству интенсивность в этом случае не превышает тысячных долей Вт/см2, Вероятность воз­никновения кавитации в таких условиях пренебрежимо мала.

1.13. ИЗЛУЧАТЕЛИ УЛЬТРАЗВУКА

Существует множество устройств-преобразователей, применяе­мых для возбуждения ультразвуковых колебаний и воли в газах, жид­костях и твердых телах. Эти устройства преобразуют тепловую, меха­ническую, электрическую или другие виды энергии в энергию ультра­звукового поля.

Проще всего получить ультразвук, используя обычную струну. Частота колебаний струны, как известно, зависит от длины и, посте­пенно укорачивая ее, можно извлекать все более высокие звуки. Стру­на длиной в 10 см колеблется уже с частотой 25 кГц, находящейся за пределами возможностей человеческого слуха.

Струна в качестве механического преобразователя используется в монохорде - приборе для определения верхнего предела слышимости.

Этим, однако, и ограничивается применение монохорда, поскольку ко­лебания струны обладают слишком малой энергией и быстро затухают.

Наиболее удобными для исследовательских и практических це­лей в ветеринарии, медицине, экспериментальной биологии и ультра­звуковой технологии оказались электроакустические преобразовате­ли, в частности пьезоэлектрические и магнитострикционные. Нашли применение также струйные излучатели - ультразвуковые свистки, преобразующие кинетическую энергию струи газа или жидкости в энергию акустических колебаний. Газоструйные излучатели наиболее эффективны для получения аэрозолей в больших объемах.

Излучатели ультразвука характеризуются мощностью излучения, частотой колебаний, направленностью излучения, коэффициентом полезного действия.

Наибольшее распространение в ультразвуковой медицинской тех­нике получили пьезоэлектрические преобразователи. Позволяя полу­чать акустические колебания в диапазоне частот от нескольких кГц до десятков и сотен МГц, они используются в аппаратах для ультразву­ковой терапии, в диагностических приборах, применяемых в медици­не и ветеринарии, в устройствах для ультразвуковой стимуляции биотехнологических процессов.

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей осно­ван на эффекте, открытом в 1860 г Пьером и Жолио Кюри, наблюдав­шими его у кварца и некоторых других кристаллов.

Если пластинку, определенным образом вырезанную из пьезоэлектрика, подвергнуть деформации, то на ее поверхности появятся электрические заряды. Это явление получило название прямого пьезоэффекта.

При внесении пластинки в электрическое поле она деформирует­ся, и величина деформации линейно зависит от напряженности элек­трического поля (обратный пьезоэффект). Переменное электриче­ское поле вызывает периодические деформации в пьезоэлектрике, частота которых равна частоте изменения электрического поля, Ам­плитуда деформации достигает наибольших значений, если частота переменного электрическою поля совпадает с собственной частотой колебаний преобразователя, определяемой его размерами.

Периодические деформации пьезоэлектрического преобразовате­ля и служат источником акустических волн.

В ветеринарии, биотехнологии и экспериментальной биологии наряду с высокочастотным ультразвуком используется и ультразвук низкой частоты, весьма эффективный для решения ряда практиче­ских задач.

Ультразвук в диапазоне частот от самых низких и до примерно 100 кГц чаще всего получают, применяя магнитострикционные преоб­разователи, представляющие собой сердечник с навитой на нею об­моткой. Переменный ток, протекающий по обмотке, создает перемен­ное магнитное поле, преобразующееся в энергию механических коле­баний сердечника. Следует отметить, что этот эффект обратим, т. е. если деформировать сердечник, то в нем возникает магнитное поле, которое вызывает в обмотке появление электрического тока.

В зависимости от поставленной цели магнитострикционные преобразователи используют в сочетании с теми или иными пас­сивными элементами - диафрагмами, если необходимо воздейство­вать на процессы, протекающие в жидкости, или стержневыми кон­центраторами, обеспечивающими увеличение амплитуды колеба­ний и составляющими основу ультразвуковых хирургических и инструментов.

В медицине и ветеринарии газоструйные излучатели не получили широкого распространения. Они применяются только для получения аэрозолей в больших производственных помещениях - па фермах, птицефабриках и пр.

В отличие от магнитострикционных и пьезоэлектрических преоб­разователей газоструйные излучатели генерируют колебания в широ­ком диапазоне частот, в том числе звуковых. Этим существенно огра­ничивается применение газоструйных аэрозольных генераторов, так как их работа сопровождается сильным шумом.

Газоструйный генератор аэрозоля представляет собой совокуп­ность ультразвукового свистка и пульверизатора (рис. 1.9). Воз­душная струя увлекает с собой жидкость из резервуара и вместе с нею через кольцевой зазор попадает на отражатель. Часть смеси воздуха с каплями жидкости отражается во внутренний объем. Здесь давление периодически повышается до критических значений, достаточных для разрыва кольцевой струи. После этого давле­ние в резонирующем объеме снова падает ниже критического, и цикл повторяется.

Рис. 1.9. Газоструйный генератор аэрозоля:

1 - подача сжатого воздуха; 2 - отражатель кольцевой струи; 3 - кольцевой сопла

Такой газоструйный излучатель ультразвука обеспечивает дроб­ление захваченной струей воздуха жидкости на капли микронных раз­меров, образующих стабильное облако аэрозоля.

1.14. ПРИЕМНИКИ УЛЬТРАЗВУКА

Обнаружить в жидкости поле ультразвука относительно большой интенсивности достаточно просто по совокупности характерных при­знаков: появлению па поверхности жидкости ряби, а при более высо­ких интенсивностях и фонтана; по акустическим течениям, приводя­щим к перемешиванию жидкости; по кавитации, сопровождающейся характерным шумом, ультразвуковым свечением, специфическими химическими реакциями, эрозией поверхности предметов в ультра­звуковом поле; по выделению тепла, особенно на границах тел с отли­чающимися акустическими сопротивлениями и т, д.

Измерить параметры ультразвука - его интенсивность, амплиту­ду колебания, колебательную скорость и ускорение частиц в ультра­звуковой волне, а также ультразвуковое давление - можно при помо­щи специальных устройств - приемников ультразвука. Приемники, размеры которых намного больше длины волны ультразвука, дают ус­редненные значения измеряемой величины, а структуру ультразвуко­вого поля можно получить лишь с помощью приемников, размеры ко­торых меньше длины волны.

В биомедицинской практике, как правило, учитывают частоту и интенсивность ультразвука, а также форму поля. В биотехнологии при использовании низкочастотного ультразвука измеряют плотность акустической энергии в среде.

Частота ультразвука обычно задается конструкцией и параметра­ми излучателей. Частота не может быть выбрана произвольно, она должна соответствовать одной из частот, разрешенных Международ­ной электротехнической комиссией.

В медицине и экспериментальной биологии для воздействия на организм с хирургической или терапевтической целью обычно ис­пользуют ультразвук с частотами 22, 44, 880 кГц, 2,65 МГц, а также ультразвук более высоких частот в диапазоне 2...10 МГц для примене­ния в диагностике.

Природа ультразвуковых эффектов качественно одинакова в ши­роком диапазоне частот, и лишь количественные различия приводят к появлению характерных особенностей, оправдывающих условное деление ультразвукового диапазона на низкочастотный и высокочас­тотный.

Биологическое действие ультразвука весьма существенно зависит от его интенсивности, меняя которую, можно получить любые эффек­ты - от стимуляции до разрушения. Поэтому выбор, а значит, и изме­рение интенсивности ультразвука требует особой тщательности.

Из множества разработанных к настоящему времени методов из­мерения интенсивности ультразвука в медицине чаще всего использу­ется радиометр (ультразвуковые весы), позволяющий определить ус­редненную интенсивность, но давлению звукового излучения.

Для более точных измерений используют калориметрический ме­тод, основанный на измерении изменения температуры в теплоизоли­рованном сосуде (термосе), заполненном поглощающим ультразвук веществом. Этот метод, так же, как и радиометрический, позволяет определить только средние значения интенсивности ультразвука и ха­рактеризуется еще большей инерционностью.

Для измерения интенсивности ультразвука в разных точках поля и в тех случаях, когда необходимо знать характер быстрых изменений интенсивности ультразвука во времени, используют ультразвуковые приемники-зонды, размеры которых меньше длины волны.

Рис. 1.10. Конструкция ми­ниатюрного гидрофона:

1 - никелевая трубочка; 2 - ме­таллизированный внутри и снаружи пьезокерамический цилиндр; 3 - легкоплавкий припой; 4 - изолирующая прокладка; 5 - экранирующая крышка из фоль­ги; 6 - пленка эпоксидного лака

Простейший по конструкции ультразвуковой зонд представляет собой дифференциальную термопару, один из спаев которой сенсибилизиро­ван слоем эпоксидной смолы.

Пьезоэлектрические приемники ультразвука в жидких средах (гидрофо­ны) значительно превосходят термопарные зонды по многим параметрам. Приемники этого типа преобразуют ультразвуковой сигнал непосредствен­но в электрический. Их крайне малая инерционность позволяет воспроизво­дить форму сигнала и, следовательно, получать информацию о его амплитуде, фазе, частоте и спектре.

Одна из простейших конструкций приемника ультразвука с цилиндриче­ским пьезокерамическим приемным элементом (гидрофона) показана на рис. 1.10.

1.15. ВИЗУАЛИЗАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ

Ультразвуковое поле в однородной среде невозможно разглядеть невооруженным глазом. Однако в ряде случаев результат действия ультразвука па вещество сопровождается зримыми изменениями, что позволяет видеть форму и отдельные детали ультразвукового поля, иными словами, визуализировать его. Если, например, в жидкости, в которой взвешены мелкие частицы, возникает стоячая волна, то эти частицы, в зависимости от их свойств, концентрируются в пучностях или узлах, делая видимой структуру стоячей волны.

Если в подкрашенную воду опустить листок бумаги, то частицы краски тем быстрее будут диффундировать в бумагу, чем выше ин­тенсивность ультразвука. Через короткое время на поверхности ли­стка возникнут характерные пятна, по которым можно судить о рас­пределении интенсивности ультразвука в поле.

Метод визуализации ультразвукового поля с помощью бумаги и красителя информативен, прост и дешев, но применим в основном для исследования ультразвуковых полей в жидких средах.

При изучении распространения ультразвука в биологических тка­нях удобно применять метод визуализации, предусматривающий ис­пользование в качестве модели ткани клубня картофеля и водного раствора KI. Ультразвук увеличивает проницаемость клеточных мем­бран по отношению к растворенным веществам, в частности к ионам йода, которые проникают внутрь клеток картофельного клубня. По­сле окисления ионов до атомарного йода образуются характерно окра­шенные комплексы с крахмалом, содержащимся в пластидах. В меж­клеточном пространстве крахмала практически нет.

Чтобы визуализировать ультразвуковое поле, образцы пра­вильной формы (цилиндры, кубики), вырезанные из клубня кар­тофеля, подвергают действию ультразвука, нарезают на тонкие (1мм), пластинки, помещают на 7...10св 1 моль раствор йодистого калия и на 2...3 с - в 3% раствор перекиси водорода, В результате получаются окрашенные «срезы» ультразвукового поля в ткани клубня. Этим методом можно, например, визуализовать фокаль­ное пятно фокусированного ультразвука, исследовать влияние ультразвукового хирургического инструмента на рассекаемую ткань (см, подраэд. 4 .1.2).

Список литературы

1. Гаврилов Л.Р., Цирульников Е.М. Фокусированный ультразвук в физиологии и медицине. Л-д.; Наука, 1980.

2. Ершов Ю.А., Плетенева Т.Е. Механизмы токсического действия неорганических соединений. М.; Медицина, 1989.

3. Журавлев А.И., Акопян В.Б. Ультразвуковое свечение. М.: Наука, 1977.

4. Маргулис М.А. Звукохимические реакции и сонолюминесценция. М,: Химия, 1986.

5. Применение ультразвука в медицине. Физические основы / Пер. с англ.; Под ред. К. Хилла. М.: Мир, 1989.

6. Флинн Г. Физика акустической кавитации в жидкости // Физи­ческая акустика / Пер. с англ.; Под ред. У. Мэзопа. Т. 3, Ч. Б. М.; Мир, 1967.

7. Эльпинер Н.К. Биофизика ультразвука. М.: Наука, 1973.

2. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ

Диагностические методы, основанные на применении ультразвука, в по­следнее время широко используются для получения информации о глубинных структурах живых организмов. Ультразвуковые методы применяют для изу­чения некоторых особенностей строения теток и клеточных органелл, для оценки механической прочности цитоплазматических мембран. Ультразвуко­вые методы диагностики безвредны и весьма информативны. Это делает их ведущими среди физических средств интроскопии и функциональной диагно­стики человека и животных,

История развития методов ультразвуковой диагностики насчитывает немногим более полувека. За этот период развились и выделились в самостоя­тельные направления: ультразвуковая визуализация внутренних органов, по­зволяющая обследовать состояние печени, желудка, поджелудочной железы, селезенки, почек, гениталий; ультразвуковая эхокардиография, обеспечиваю­щая диагностику различных пороков сердца, нарушения центральной гемоди­намики, а также проведение ряда других кардиологических исследований; эхоэнцефалография - комплекс методов для исследования головного мозга; ульт­развуковая остеометрия, дающая возможность исследовать состояние костной структуры без нарушения целостности покровных тканей; ультра­звуковая цитолизометрия, позволяющая получать информацию о механиче­ских свойствах клеточных мембран и пр.

Методы ультразвуковой диагностики удобно рассматривать, условно разделив их на группы по принципу действия, а также по способу получения и обработки информации.

2.1. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ЭХОМЕТОДЫ

Ультразвуковые эхометоды основаны на эффекте отражения ультразвука от границ между тканями с различными акустическими свойствами. Эти методы позволяют дифференцировать мягкие ткани, различающиеся по плотности всего лишь на 0,1%, тогда как рентгено­графия, например, дает возможность различать ткани, если плотность одной из них отличается от плотности другой не менее, чем на 10 %.

2.2.1. Одномерная эхолокация

Наиболее простыми методами ультразвуковой диагностики являются, пожалуй, методы, основанные на принципе одномерной (1D) эхолокации (рис. 2.1). Зондирующий импульс ультразвука, излучен­ный преобразователем, распространяется в ткани до ее границы и, частично отражаясь от этой границы, возвращается к преобразователю, Зондирующие импульсы и принимаемые в промежутках между ними отраженные импульсы отображаются на экране электроннолу­чевой трубки вертикальными отклонениями (всплесками), расстояние между которыми соответствует глубине, на которой в организме располагаются отражающие препятствия - границы тканей, органов, полостей. Расстояние между излучателем ультразвука (поверхностью тела) и отражающей преградой S-2ct, где с - скорость ультразвука в среде, а t - промежуток времени между моментом излучения ультра­звукового импульса и моментом регистрации импульса, отраженного от препятствия.

Амплитуда отраженных сигналов очевидно зависит от различий в акустических импедансах () тканей, на границе между которыми отражается ультразвук. Эти сигналы несут информацию о соотношении в скоростях ультразвука и плотностях граничащих тканей. Изображе­ние на экране электронно-лучевой трубки называют одномерной эхограммой, или регистрацией типа А (от англ. Amplitude отклонение).

Одномерные ультразвуковые эхолокаторы нашли широкое приме­нение, например в диагностике гематом при черепно-мозговых травмах. С помощью эхоэнцефалоскопа измеряют и сравнивают расстояния от левой и правой височных костей до поверхности раздела двух полушарий ­ мозга, но смещению которой судят о наличии и величине гематом или других патологических нарушениях.

рис. 2.1. Принцип одномерной эхолокации:

1 - генератор импульсов; 2 - эхозонд; 3 - усилитель; 4 экран осциллографа; a и b толщины слоев тканей; а' и b' - соответствующие расстояния между импульсами

на экране

Поскольку поглощение ульт­развука тканью мозга достаточно велико и растет с увеличением часто­ты, для эхоэнцефалографии используют сравнительно низкие ультра­звуковые частоты - от 0,8 до 1,8 МГц. В этом диапазоне частот при средней скорости ультразвука 1500 м/с длины ультразвуковых волн со­ставят 1,5...0,8 мм, а поскольку точность измерений не может превысить половины длины волны, то смещение границы между полушариями можно определить с точностью до 1...1,5мм. При эхоэнцефалографии более высокая точность, как правило, и не требуется.

Одномерная эхография удобна и для выявления внутрибрюшинного кровотечения при травмах живота. Известно, что в норме листки брю­шины в боковых отделах живота плотно соприкасаются, а при скопле­нии крови или иной жидкости в брюшинной полости между ними появ­ляется расстояние, легко фиксируемое одномерными эхолокаторами.

В настоящее время разработано много моделей ультразвуковых эхолокаторов для определения размеров различных тканей, значи­тельно ускоривших процесс диагностики у людей и определения упи­танности животных. Ультразвуковые локаторы безвредны, их исполь­зование не связано с болевыми ощущениями и не требует соблюдения условий стерильности.

Эхо-методы успешно применяют в маммографии для определения изменений в молочных железах женщин и диагностики патологий выме­ни. На эхограмме хорошо идентифицируются пики, свидетельствующие об отражении ультразвука от известных внутренних структур - подвешивающих связок, стенок молочных протоков, цистерн. По эхограмме можно определить асимметрию молочных желез, связанную с патологи­ческими изменениями в них. Метод позволяет также обнаружить опухо­ли, очаги кальцификации, а также инородные тела в молочной железе.

Весьма полезна эхография и в диагностике заболеваний прида­точных пазух носа.

Чем меньше измеряемые расстояния, тем быстрее эхо-импульс вернется к ультразвуковому преобразователю. При очень малых рас­стояниях этот промежуток времени может оказаться меньше так на­зываемого мертвого времени интервала между моментом посылки зондирующего импульса и моментом, когда приемная система ока­жется готовой принять отраженный сигнал. Обычно это «мертвое вре­мя» составляет 10...20 мкс, и сигналы, пришедшие из глубины менее 15...20 мм, просто не воспримутся. Для того чтобы исследовать ближ­нюю зону используют линии задержки, например проводят измере­ния через слой воды толщиной в 25мм, а затем вычитают его толщину из полученных результатов. В современных ультразвуковых офтальмометрах приборах, предназначенных для исследования внутри­глазных структур, эта операция выполняется автоматически.

2.1.2. Двумерная эхолокация

Методы двумерной (2D) эхолокации позволяют получить значительно больше информации о строении внутренних органов, чем мето­ды, основанные на одномерной эхолокации. Если при одномерной эхо­локации луч ультразвука остается неподвижным в пространстве, то при двумерной он либо исходит из одной точки, периодически меняя угло­вое направление и образуя веерное ноле обзора (секторное сканирова­ние), либо ультразвуковой луч перемещается параллельно самому себе, занимая соседние положения в выбранной плоскости (линейное скани­рование), либо излучатель-приемник (эхозонд) перемещается в задан­ной плоскости (сплошное двумерное сканирование).

Двумерная эхолокация с секторным сканированием предназначена главным образом для определения конфигурации и взаимного расположения органов и тканевых структур, отличающихся по акустическим параметрам и расположенных в зоне локации. Электронная схема обеспе­чивает изменение яркости точки, высвечивающейся на экране, пропор­ционально интенсивности луча, отраженного от акустических неоднородностей, Такой метод представления информации называется методом (от англ. Brightness - яркость). Этот вид локации позволяет определить геометрию внутренних структур и оценить плотность и неоднородность тканей. Если соседние ткали недостаточно отличаются друг от друга по акустическим свойствам, то контрастность изображения можно повысить, вводя в полости органов или кровь специально подобранные биологически  безвредные так называемые эхоконтрастные вещества.

Рис. 2.2. Секторное сканирование ка­чающимся ультразвуковым зондом:

1 - качающийся эхозонд; 2 - контейнер с жидкостью;

3 поверхность тела; 4 - сектор сканирования

Секторное сканирование ультразвукового луча осущест­вляется механически или элек­тронным способом. При меха­ническом сканировании либо эхозонд совершает периодиче­ские колебательные движения (рис. 2.2) (при этом ультразву­ковой луч меняет направление в плоскости сканировании на угол, обычно равный 90о), либо один или несколько преобразо­вателей (как правило три) вра­щаются на общем барабане.

Эхолокация секторным сканированием широко при­меняется в кардиологии и по­зволяет весьма точно оценить состояние сердца. Возможность введения луча ультразвука через межреберные промежутки по­зволяет без искажений и поглощения ультразвука в костной ткани практически полностью визуализировать камеры сердца и околосер­дечные структуры. При этом на экране исследователь видит движу­щееся изображение, что существенно обогащает диагностическую ин­формацию. Секторное сканирование широко применяется при иссле­дованиях органов брюшной полости, щитовидной и молочной желез, в гинекологической и акушерской практике, в офтальмологии.

Простота и легкость осуществления эхографии но сравнению с рентгенографией делает ее незаменимой в хирургии для обнаружения инородных тел, для проведения эндоскопических операций иод визуальным контролем и в ряде других случаев.

Двумерная эхолокация с линейным сканированием позволяет формировать эхограммы в виде прямоугольных изображений. Такое представление эхограмм удобно, когда одновременно и в одинаковом масштабе требуется отобразить детали, находящиеся вблизи от по­верхности тела и в глубине его. Линейное сканирование очень удобно при исследованиях в акушерстве, а также для визуализации почек, мо­чевого пузыря и других внутренних органов.

В последнее время двумерная эхолокация все шире применяется для исследования физиологии и патологии репродуктивных органов сельскохозяйственных животных. Расстояние от поверхности тела до репродуктивных органов у мелких животных - овец, свиней, коз, кро­ликов, а также собак и кошек невелико, что позволяет визуализовать их внутренние органы, прикладывая эхозонд к поверхности тела. Ин­формация, полученная с помощью эхолокации, уникальна, так как ее практически невозможно получить другими способами, например трансректальной пальпацией (прощупыванием через стенку прямой кишки). У крупных животных - коров, лошадей, верблюдов, ульт­развуковой сигнал сильно затухает, проходя от поверхности тела до репродуктивных органов, что существенно снижает ценность эхограмм. Увеличение интенсивности ультразвука для повышения каче­ства изображений может оказаться небезвредным для организма жи­вотных, и в таких случаях эхографию проводят, вводя эхозонд в пря­мую кишку животному и располагая его над исследуемым органом.

Эхография позволяет следить за развитием плода и формировани­ем его органов, проводить внутриутробную диагностику многоплодия и врожденных болезней, определять физиологическое состояние плода по сердцебиению и подвижности, прогнозировать и диагностировать гибель плода.


2.1.3. Одномерная эхолокация движущихся структур

Одномерная эхолокация движущихся структур с отображением информации А-методом неудобна, так как наблюдать и измерять постоянно меняющиеся расстояния между пиками на эхограмм е весьма непросто. Значительно удобнее для этих целей так называе­мый метод Л-локации (от английского слова Motion - движение). В отличие от А-метода при М методе эхо сигналы на экране электрон­нолучевой трубки отображаются в виде светящихся точек, находя­щихся в тех местах, где при одномерной эхолокации располагались бы пики. Ряд светящихся точек движется вертикально по экрану, прорисовывая прямые линии, если поверхности, от которых отра­жается ультразвук, неподвижны. Если же взаиморасположение от­ражающих поверхностей меняется, то меняется и расстояние между светящимися точками, и па экране будут формироваться линии, отображающие движение этих поверхностей. Так, при локации сердца на экране образуется группа линий, отражающих взаиморас­положение кардиоструктур во времени. Такой способ представле­ния информации о работе сердца называется эхокардиограммой или М-эхокардиограммой (рис. 2.3),

Рис. 2.3. Пример М-эхокардиограммы с акустическим изображением сердца

М-эхокардиограммы завоевали своей информативностью боль­шую популярность в кардиологических исследованиях, так как поми­мо геометрических размеров на эхокардиограмме отражаются и их из­менения, что позволяет определять скорость движения кардиоэлементов и исследовать фазовую структуру кардиоциклов.

2.1.4. Доплеровские методы в ультразвуковой
диагностике

Методы, основанные на эффекте Доплера, обладают большими возможностями и занимают важное место в ультразвуковой диагно­стике. Они позволяют изучать динамику ряда физиологических про­цессов в организме, оценивать скорости и направление течения крови, движение кардиоструктур и стенок кровеносных сосудов.

Эффект Доплера заключается в том, что частота волн, испускае­мых источником (fо), совпадает с частотой волн, регистрируемых при­емником (f), только тогда, когда приемник и источник либо непод­вижны относительно окружающей их среды, либо движутся относи­тельно не сравнимы по величине и совпадающими по направлению скоростями. Во всех остальных случаях . Известно, например, что тон сирены приближающегося поезда кажется более высоким, чем тон сирены поезда, удаляющегося от человека, стоящего у железнодо­рожного полотна.

Принцип эффекта Доплера нетрудно понять, если представить, что источник волн (излучатель) как бы дополнительно сжимает их, если движется по направлению к приемнику, и, следовательно, приемник за­регистрирует волны более высокой частоты. Обратную картину можно представить, если источник удаляется от приемника (рис. 2.4).

Рис. 2.4 Принцип возникновения эффекта Доплера:

1- волна от неподвижного излучателя (И) к неподвижному приемнику (П); 2 - волна при движении излучателя к приемнику; 3 - волна при удалении из­лучателя от приемника

Можно показать, что в одном случае, когда и источник, и приемник  движутся с разными по величине и направлению скоростями относительно окружающей среды, то частоту, регистрируемую приемником, определяют по формуле:

где  - частота, излучаемая источником;

и - скорость приемника;

v - скорость источника относительно среды;

 и  - углы между направлениями движения соответственно источника и приемника и соеди­няющей их прямой.

Эффект Доплера возникает и при отражении волн от движущейся поверхности, которую можно рассматривать как движущийся прием­ник волн, излучаемых источником, и в то же время как движущийся источник отраженных волн.

Разность частот сигналов, излучаемых источником и принимае­мых приемником после отражения от движущейся поверхности, назы­вают доплеровской частотой, которая определяется но формуле

Знаки «+» или «-» показывают, приближается ли к неподвижным относительно друг друга источнику и приемнику отражающая поверх­ность или удаляется от них. Если скорость движения отражающей вол­ну поверхности () значительно ниже скорости распространения волн в среде (что справедливо для всех применений эффекта Доплера в диаг­ностике), то доплеровскую частоту можно вычислить по формуле

где  - угол падения волны на отражающую поверхность. Частота, регистрируемая приемником, очевидно равна

В доплеровских методах диагностики применяют ультразвук с частотой 2 МГц.

Если принять скорость ультразвука в тканях равной 1500 м/с, а скорость движения стенки аорты при ее пульсациях примерно равной 1 м/с, то в случае, когда ультразвуковая волна падает нормально (пер­пендикулярно) к поверхности аорты, доплеровская частота окажется равной примерно 2,7 кГц, т. е. лежит в звуковом диапазоне. Именно поэтому электрический сигнал, несущий доплеровскую частоту, не­редко выводят на наушники. Этот сигнал можно записать па обычный магнитофон и использовать для аналитических или учебных целей, либо записать па бумажную ленту в виде доплерэхограммы.

Для возникновения эффекта Доплера необязательно, чтобы ульт­развук отражался от сплошной движущейся поверхности. Этот эф­фект возникает и при отражении акустических волн от частиц, взве­шенных в жидкости и движущихся вместе с ее потоком. Если взве­шенные в жидкости частицы движутся с такой же скоростью, что и сама жидкость (как это происходит и случае вязких жидкостей), то, вычислив скорость течения жидкости но доплеровской частоте, мож­но определить объемный расход жидкости в потоке по формуле

где s - площадь сечения потока (например, кровеносного сосуда). Этот аффект используется в приборах, называемых доплеровскими расходомерами.

В доплеровской диагностике используется как непрерывный, так и импульсный ультразвук. Применение непрерывного ультразвука да­ет возможность достичь высокой чувствительности, достаточной для регистрации кровотока в небольших кровеносных сосудах, в том чис­ле у плода па ранних стадиях беременности матери, но не позволяет определить расстояние до подвижного препятствия. Доплеровские методы, основанные на применении импульсного ультразвука, обла­дают несколько меньшей чувствительностью, но позволяют опреде­лить расстояние от поверхности тела до подвижных отражающих структур - стенок сердца, сосудов, клеток крови.

Доплеровские методы весьма информативны в кардиологии, в акушерстве и других областях медицины и ветеринарии. При исследованиях, например гемодинамики, доплеровские расходомеры по­зволю определять ряд важных параметров кровотока в сосудистой системе, например скорости движения эритроцитов. Для этого дат­чик, в котором находятся источник и приемник ультразвука, приво­дят в акустический контакт с кожей, через которую ультразвук про­ходит в глубь тела и пересекает исследуемый кровеносный сосуд под углом (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Определение скоростей движения эритроцитов в кровеносном сосуде:

УЗГ - генератор электромагнитных колебаний ультразвуковой частоты: Э, и Э2 - эхозонды, расположенные пол углом друг к другу; Р - регистрирующее устройство; А, Л,, R, В, точки пересечения ультразвуковых лучей со стенками сосудов а - угол между ультразвуковым лучом от эхозонда Э2 и осью сосуда

Если ультразвук отражается от статических структур, которые встречаются на ею пути от источника до сосуда, то частота звука не меняется. Отражение ультразвука от пульсирующих стенок сосуда и от движущихся вместе с плазмой форменных элементов крови (в ос­новном от эритроцитов) сопровождаем эффектом Доплера. По­скольку скорость пульсации стенок сосуда значительно меньше ско­рости движения эритроцитов, то доплеровская частота, вызванная движением стенок сосудов, значительно меньше чем частота, обу­словленная движением эритроцитов. Сигналы эти поддаются разделе­нию, хотя мощность сигнала от стенок сосуда примерно в 30 раз боль­ше мощности сигнала от эритроцитов. Различия в уровне сигналов объясняются тем, что пульсирующая поверхность стенки сосуда зна­чительно превышает общую поверхность движущихся эритроцитов.

По изменению частоты в большую или меньшую сторону доплеровские методы позволяют определить и направление течения крови. Исследования показали, что в ряде случаев при сердечно-сосудистых заболеваниях в артериях может возникнуть противоток крови. При нормальном кровотоке, как и при течении любой вязкой жидкости, скорость увеличивается от стенки к центру трубы, и концы векторов скорости составляют параболическую поверхность. В случае противо­тока эта поверхность имеет более сложную форму Исследование про­тивотока имеет большое значение для диагностики сердечно-сосуди­стых заболеваний.

Особенно интересен и перспективен метод артериографии, позволяющий получать двумерное изображение кровотока. Доплеровский датчик с помощью особого устройства перемещают вдоль кровеносно­го сосуда, одновременно двигая его в плоскости, перпендикулярной оси сосуда (сканирование).

Артериограмма не только отражает форму сосуда и его разветвле­ния, но и по яркости изображения позволяет оценить скорость крово­тока в нем. По артериограмме легко определить места стенозов, по­скольку в этих областях скорость кровотока увеличивается и доплеровские частоты возрастают. Хорошо видны и места закупорки сосудов, а также области отложения кальция, препятствующего рас­пространению ультразвука и снижающего яркость изображения.

Рассеяние ультразвука может происходить не только на формен­ных элементах крови, но и на частичках жира, взвешенных в молоке. Поэтому доплеровский расходомер можно применять и для исследо­вания потока молока, что весьма важно при сравнении условий дое­ния животных и кормления молодняка. Для этого к соску прикрепля­ют датчик малых размеров, не препятствующий процессу кормления. Исследования показали, что если в процессе доения скорость истече­ния молока почти не изменяется, так как усилия, прикладываемые к соску, остаются практически постоянными, то в процессе кормления объемный расход молока и соответственно скорость его потока меня­ются в 60-70 раз, уменьшаясь к концу кормления пропорционально степени насыщения и усталости детеныша.

Рассеяние ультразвука происходит и на газовых пузырьках, попадающих в кровеносные сосуды при декомпрессии, а также при некоторых операциях. Доплеровские частоты, возникающие при отражении ультразвука от газовых пузырьков, хорошо регистрируются на слух. При этом в наушнике или громкоговорителе слышны звуки, похожие на шипение испорченной граммофонной пластинки. Следует отме­тить, что газовые пузырьки в кровеносных сосудах в некоторых случа­ях можно обнаружить и с помощью стетоскопа, но с гораздо меньшей чувствительностью. Так, при введении в сердце свиньи 0,1 мл воздуха его уже можно зарегистрировать ультразвуковыми доплеровскими методами, тогда как обычный стетоскоп позволяет различать появле­ние характерных шумов, если введено не менее 1 мл газа.

Доплеровский метод позволяет легко определять, как снабжается кровью тот или иной орган, обнаруживать в венах тромбы с точностью до 50 % (обычные методы позволяют делать это с точностью, не превышающей 5 %), отличать желчные протоки от кровеносных сосудов.

Опыт, накопленный при использовании доплеровских методов в медицине, делает их весьма перспективными для диагностики ряда заболеваний сельскохозяйственных животных. Метод ультразвуковой доплерэхокардиографии был, например, весьма успешно использован для сравнительных исследований особенностей сердечной деятельно­сти у телят при их воспитании в зимнее время на открытой площадке. Сравнение доплеровской эхотахокардиограммы телят с их электро­кардиограммой и электрограмм ой дыхательных органов позволило выявить типичные, соответствующие отдельным фазам сердечного цикла изменения.

При выращивании телят на холоде зубцы эхотахограммы отлича­ются относительно высокими амплитудами, что свидетельствует о бо­лее энергичном сокращении сердечной мышцы, чем у телят, содержа­щихся в помещении.

Ультразвуковая эхотахокардиография выгодно отличается от электрокардиографии устойчивостью к электрическим помехам, не­большой массой измерительной аппаратуры, а также встроенным электропитанием, что позволяет использовать ее в полевых условиях.

Доплеровские эхо-методы нашли широкое применение в гинеколо­гии и акушерстве. Они позволяют регистрировать сердцебиение плода, устанавливать многоплодие, измерять скорость течения крови в пупоч­ных артериях, движения жидкости в пуповине, делать заключение о на­личии эмболии (т.е. переносе током крови частиц, вызывающих заку­порку сосудов), контролировать работу мочевого пузыря у плода.

2.1.5. Трехмерные и движущиеся трехмерные
изображения

Первые ультразвуковые приборы для визуализации внутренних органов стали разрабатываться в 1955 г., а уже в 1989 г. в Австрии поя­вился «трехмерный» аппарат. Качество изображений было весьма низким. На получение одного статического трехмерного изображения уходило до получаса, и метод не нашел широкого применения в медицине. В 1996 г. благодаря успехам в разработке новых компьютерных технологий появился сканер с возможностью трехмерной реконструк­ции в реальном времени, и трехмерная ультразвуковая визуализация стала находить все более широкое применение в медицине.

Ультразвуковые аппараты для получения трехмерных изображе­ний отличаются от двумерных лишь наличием специального встроен­ного компьютерного модуля, Компьютер последовательно накаплива­ет полученные двумерные изображения и реконструирует их в трех­мерную картину, которая и выводится на экран монитора. Необходимо отметить, что частота сканирования, интенсивность и мощность ультразвука остаются такими же, как и при обычном ульт­развуком исследовании. Иными словами, по способу получения пер­вичной информации трехмерная визуализация ничем не отличается от двумерной, однако мощная компьютерная поддержка существенно расширяет ее диагностические возможности.

Если для создания трехмерного изображения система определяет объем объекта (например, ребенка в утробе матери), а затем реконст­руирует изображение в трех измерениях, то в так называемой 4D-системе визуализации (три пространственных измерения плюс время) новейшие вычислительные устройства и реальном времени реконст­руируют объемные изображения, выстраивая их в движущийся ряд. Система 4D)-ультразвуковой визуализации позволяет увидеть в дви­жении все внутренние органы, а ребенка в утробе почти таким, каким он выглядит на самом деле.

2.2. УЛЬТРАЗВУК В ДИАГНОСТИКЕ СОСТОЯНИЯ

КОСТНОЙ ТКАНИ

Прижизненное измерение физических параметров костной ткани оказалось возможным после разработки целого ряда рентге­нологических и радиологических методов. Это и рентгенограмметрия, дающая размеры и форму кости, и рентгенографическая фотоденситометрия, позволяющая оценивать содержание кальция в костной ткани по рентгенофотометрической плотности, иными словами, по степени почернения рентгенограммы. Этот метод ши­роко применяется в медицине и ветеринарии. Он позволил обна­ружить многие общие закономерности, например уменьшение с возрастом содержания кальция и костной ткани, и разработать ме­тоды диагностики.

Стремление улучшать методы рентгенограмметрии и рентгенографической фотосенситометрии привело к замене рентгеновских лучей более короткими монохроматическими гамма-лучами (монофотопная абсорбциометрия), или гамма лучами, содержащими фо­тоны двух энергий, что позволяет параллельно измерить еще и тол­щину кости. Современные методы рентгеновской компьютерной томографии дают возможность воссоздать на экране монитора об­щий вид и особенности структуры разных участков кости. Плот­ность костной ткани можно определить по рассеянию квантов ра­диоактивного излучения высоких энергий, а прижизненный нейтронно-активационный анализ дает количественную информацию о содержании в костной ткани кальция, натрия, хлора, фосфора, ря­да других элементов.

Каждый из указанных методов имеет определенные плюсы, но все они требуют для своей реализации применения ионизирующих излу­чений, специальной, часто стационарной аппаратуры. Следует также отметить, что, несмотря на меры биологической защиты, использова­ние этих методов сопряжено с опасностью лучевого поражения иссле­дуемою организма и обслуживающего персонала.

Изменения свойств костной ткани, связанные с изменением со­става и структуры, отражаются и на ее акустических параметрах - на коэффициенте поглощения ультразвука и на скорости его распростра­нения в кости. Метод, основанный на поглощении ультразвука кост­ной тканью, был предложен сравнительно недавно - в 1984 г. Ослаб­ление ультразвука связано не только с содержанием минеральных ве­ществ, но и со структурированностью костной ткани, расположенной на пути распространения ультразвука. Ослабление проходящего через кость ультразвука заметно зависит от частоты, и в ряде случаев для повышения информативности метода измерения проводят в широком диапазоне частот.

Рис. 2.6. Зависимость поглоще­ния ультразвука костной тканью от частоты:

1 - молодой организм; 2 - зрелый организм

Система для измерений содержит бак с водой, в котором на определенном расстоянии друг от друга установлены излучатель и приемник ультразвука. Между ними располагают исследуемую ко­нечность. Для измерений используются импульсные режимы ульт­развука, частота которого за время формирования импульса меня­ется от 0,2 до 1 МГц. Амплитудные спектры обрабатываются компь­ютером, а все измерение занимает насколько секунд. Результат измерения, как уже указывалось выше, зависит не только от степе­ни минерализации, но и от структурных особенностей кости. По­этому ожидать высокой точности от этого метода не приходится. Повторяемость результатов обычно составляет около 35 % и сильно зависит от положения приемника ультразвука относительно излу­чателя.

Исследования показали, что по­глощение ультразвука в костной ткани заметно увеличивается с воз­растом (рис. 2.6). Как известно, с возрастом увеличивается и хруп­кость костей, что обусловлено сни­жением минерализации костной ткани.

Намного проще для реализа­ции в медицине и ветеринарии ме­тод ультразвуковой остеометрии, основанный на измерении скоро­сти распространения ультразвука в костях.

В твердых телах скорость  продольной волны определяют по формуле

а скорость поперечной (сдвиговой) волны, смещение частиц в которой перпендикулярно распространения ультразвука, рассчитывается но формуле

где р - плотность вещества;

G - модуль сдвига;

k - модуль объемного сжатия.

Скорость распространения продольных волн всегда больше ско­рости распространения сдвиговых волн: спр > cCД .

В ограниченных по размеру твердых телах, помимо продольной и поперечной, возникают и другие волны, скорость распространения ко­торых определяется не только составом и структурой тела, по и его размерами и формой.

При ультразвуковой остеометрии излучатель и приемник ультра­звука накладывают через специальную или любую контактную смазку (вазелиновое масло, глицерин и пр.) на поверхность тела перпендику­лярно оси кости, стараясь по возможности выбрать место, где слой мягких тканей между костью и поверхностью тела мал. Конструктив­но остеометр выполнен так, что реагирует лишь на первый импульс, достигший приемника.

Ультразвуковой импульс от излучателя распространяется к при­емнику не только по костной, но и во мягким тканям (рис. 2.7). Ско­рость ультразвука в кости (сK) примерно в 1,5-2 раза выше, чем в мяг­ких тканях (сM), поэтому расстояние L от излучателя до приемника волна пройдет за время t1=, а время распространения через мышцу и кость определяется по Формуле                                        t2=

Через кость сигнал дойдет до приемника раньше, чем через мышцу, если. Полагая, что скорость ультразвука в кости вдвое превышает скорость ультразвука в мягких тканях, можно показать, что условие  выполняется в том случае, если  т. е. рас­стояние между излучателем и приемником более чем в четыре раза превышает толщину мягких тканей.

Иногда для определения толщины мягких тканей между ко­стью и излучателем, а также между костью и приемником остеометры снабжают ультразвуковыми одномерными эхолокаторами. Результаты измерения толщин с помощью этих локаторов отража­ются па экране или просто учитываются программой компьютера при расчетах.

Рис. 2.7. Измерения скорости ультразвука в кости через неповрежденные покровные ткани:

L - расстояние между излучателем (И) и приемником <П);

l - толщина мышечной ткани

Учитывая большую разницу между скоростью ультразвука в костях и мягких тканях, ультра­звуковую остеомeтрию весьма эф­фективно используют для первич­ной сортировки пострадавших при техногенных и природных катастрофах, а также для наблюдения за формированием костных мозолей после переломов.

Исследования, проведенные на овцах разного возраста, пока­зали, что скорость ультразвука, резко снизившаяся в результате перелома, постепенно нарастает в течение 2,5-3 месяцев, стремясь к значениям, характерным для целой кости (рис. 2.8).



2.3. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ВЯЗКОУПРУГИХ

СВОЙСТВ МЯГКИХ ТКАНЕЙ

Вязкоупругие свойства кожи, мышц и других мягких тканей дав­но служат источником диагностической информации. Однако на практике эту информацию получают весьма субъективным методом пальпации, что существенно снижает ее ценность и не позволяет поль­зоваться ею в сравнительных исследованиях.

Измерить упругие свойства мягких тканей дает возможность не­давно разработанный метод, основанный на измерении скорости рас­пространения поверхностной акустической волны,

Рис. 2,8. Изменение скорости ультразвука в процессе образования ко­стной мозоли па месте перелома бедренной кости 2,5-месячной ов­цы (1) и 5-месячной овцы (2):

скорость ультразвука в той же

кости до перелома

Рис. 2.9. Принцип определения вязкоупругих свойств мягких тканей:

1 - излучатель поверхностных ноли; 2 - приемник поверхностных волн; 3- поверхность исследуемой ткани; стрелка - направление колебаний из­лучающего стержня

В отличие от продольных акустических воли, распространяющих­ся в объеме среды, поверхностные сдвиговые волны затухают на рас­стоянии, равном нескольким длинам волн, что создает определенные трудности в изучении особенностей их распространения. Получают и регистрируют эти волны с помощью преобразователей биморфного типа, в котором используются пластины из пьезоэлектрического мате­риала. Преобразователи снабжаются щупами, которые позволяют осу­ществлять точечный контакт с исследуемым участком ткани. Прин­цип определения вязкоупругих свойств мягких тканей показан на рис. 2.9. Один из преобразователей служит источником, а вто­рой - приемником поверхностных волн. Исследования показали, что сдвиговая упругость биологических тканей для малых амплитуд сме­щения частиц среды прямо пропорциональна квадрату скорости распространения в ней акустической волны, возбуждаемой точечным ос­циллирующим преобразователем:

где Е - динамический модуль сдвига;

 - плотность среды;

 - скорость распространения сдвиговой волны;

 - коэффициент пропорцио­нальности, зависящий от направле­ния колебательного смещения час­тиц среды.

Если смещения частиц параллельны плоскости поверхности среды и перпендикулярны направлению распространения полны, то коэффициент  оказывается равным единице.

Наиболее доступны для исследования с помощью поверхностных сдвиговых волн покровные ткани, вязкоупругие свойства которых за­метно меняются не только при дерматологических патологиях, но и при заболеваниях внутренних органов, а также при некоторых физиологиче­ских процессах. Это связано с существованием на поверхности тела так называемых зон Захарьина - Геда, отражающих состояние внутренних органов и систем организма.

2.4. МЕТОД УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЦИТОЛИЗОМЕТРИИ

Ультразвуковые методы нашли применение не только в клиниче­ской диагностике, но и в лабораторных исследованиях, В частности, в практике лабораторных исследований крови существует метод опре­деления механической резистентности и эритроцитов. Устойчивость этих клеток к механическим, разрушающим воздействиям обычно оценивают, встряхивая кровь с антикоагулянтом в течение определен­ного времени, а затем по окрашиванию плазмы измеряют количество вышедшего из травмированных эритроцитов гемоглобина, либо под­считывая число эритроцитов в единице объема под микроскопом до и после встряхивания. Этот метод пригоден лишь для эритроцитов, так как внутренний объем этих клеток не разделен на отдельные компартаменты и их содержимое вытекает через любое повреждение клеточной мембраны. Кроме того, метод источен и позволяет, как правило, лишь подтвердить установленный диагноз.

Некоторые клетки, суспендированные в водной среде и не имею­щие прочной клеточной стенки, разрушаются под действием ультра­звука уже при интенсивностях, используемых в терапии. К числу та­ких клеток относятся клетки крови и сперматозоиды. Пороги и ско­рость разрушения этих клеток зависят как от концентрации клеток в суспензии, температуры среды, частоты и интенсивности ультразвука, так и от прочности клеточных мембран, и, следовательно, от типа кле­ток и состояния организма - донора этих клеток.

Разрушение клеток в ультразвуковом поле происходит только в том случае, если интенсивность ультразвука превышает значения, совпадающие для разбавленных суспензий, с порогами кавитации в воде.

Зависимость средней скорости разрушения клеток от интенсивно­сти ультразвука по характеру сходна с аналогичными зависимостями интенсивности ультразвукового свечения и скорости звукохимических реакций (см. §§ 1.8; 1.13). Совпадение в характере этих зависимостей, а также в порогах кавитации и разрушение клеток свидетельствует о кавитационной природе эффекта. Кроме того, скорость разрушения кле­ток обратно пропорциональна концентрации клеток в суспензии (рис. 2.10), что может служить подтверждением кавитационной природы разрушения, так как увеличение концентрации клеток равносильно увеличению вязкости, приводящему к возрастанию порога кавитации в жидких средах.

Рис. 2.10. Зависимость времени разрушения клеток в ультразву­ковом поле от их концентрации (интенсивность ультразвука - 0,4 Вт/см2)

Отметим, однако, что ультра­звуковое свечение и образование химически активных частиц харак­теризуют процессы, протекающие внутри кавитирующего пузырька, тогда как разрушение клеток про­исходит в результате процессов, протекающих вне его.

Замена растворенного в воде воздуха аргоном или присутствие в ней акцепторов свободных радика­лов (цистеин, акриламид) не влия­ют на процесс ультразвукового раз­рушения клеток. Отсюда следует, что основную роль в процессах, ве­дущих к нарушению целостности клеточных мембран, играют не хи­мические вещества, образующиеся под действием ультразвука, а меха­нические силы, возникающие при кавитации. Такие силы, достаточные по величине для разрушения клеточных мембран, могут быть обусловлены микропотоками и ударными волнами вблизи пульсирующих или захлопывающихся пузырьков.

Акустические потоки в суспензии, возникающие в докавитационном режиме (0,05 Вт/см2), способны лишь «смывать» макромолекулы с поверхности клеточных мембран. Увеличение интенсивности ультразвука до значений, превышающих порог кавитации, приводит к появлению в среде пульсирующих газовых пузырьков, порождающих микропотоки с градиентами скоростей порядка 104 с-1 Клетки радиусом 5- 10-6м, попавшие в поле этих микропотоков, могут испытывать сдвиговые усилия, значительно превышающие значения, при которых начинают разру­шаться клеточные мембраны.

Разрушение клеток начинается не сразу после включения ультра­звука и заканчивается не мгновенно после его выключения. Чем выше интенсивность ультразвука, тем короче промежуток времени между моментом его включения и началом процесса разрушения клеток, и тем длительнее последействие, когда ультразвук уже выключен, а клетки продолжают разрушаться. В поисках причин такого последст­вия были исследованы изменения в морфологии эритроцитов, под­вергнутых ультразвуковому воздействию в суспензии, и обнаружены «дыры» в цитоплазматических мембранах, через которые содержимое клеток вытекает в окружающую среду.

Скорость вытекания содержимого эритроцитов сквозь дефекты в мембранах после выключения ультразвука ограничена диффузией и вязким течением. Очевидно, эта скорость достаточно мала и может обеспечить наблюдаемое последействие. Аналогичное явление наблю­дается не только для эритроцитов, но и для других клеток, разделен­ных внутриклеточными мембранами на компартаменты.

В обычных условиях внутриклеточные мембраны препятствуют вытеканию их содержимого через одиночные дефекты в цитоплазматической мембране. Однако под действием ультразвука внутри клеток возникают микротсчения. Они разрушают компартментацию, переме­шивают содержимое и обратимо снижают вязкость цитоплазмы. По­сле этого ничто не препятствует вытеканию содержимого клеток кро­ви через повреждения в цитоплазматических мембранах.

Исследование зависимости скорости ультразвукового разруше­ния клеток от температуры на примере эритроцитов показало, что скорость сохолизиса мало изменяется в диапазоне 20…36С При бо­лее высоких температурах начинается тепловой гемолиз, Ультразвук ускоряет его и быстро разрушает клетки.

Суммируя приведенные данные и пренебрегая скоростью спон­танного разрушения клеток, можно показать, что средняя скорость ультразвуковою разрушения клеток рассчитывается по формуле:

где С - концентрация клеток в суспензии;

k - коэффициент, показывающий, какая часть акустической энергии преобразуется в энергию микропотоков и затрачивается на разру­шение клеток;

/ - расстояние от излучателя до той точки в объеме, где интенсив­ность ультразвука уменьшается в результате акустических потерь (по­глощения, рассеивания) до порога кавитации;

/- интенсивность ультразвука;

/п - интенсивность, соответствующая порогу кавитации;

А - коэффициент, характеризующий потери акустической энергии.

Температуру можно не учитывать, если в опыте она не превышает 36 оС.

Из анализа приведенного выражения следует, что при l » l значение , и средняя скорость разрушения клеток в суспен­зии - линейная функция интенсивности ультразвука  а при интенсивности ультразвука, близких к пороговым,

Из общих соображений следовало бы, что измерять различия в скорости разрушения клеток разных типов удобнее при , где V линейно зависит от интенсивности ультразвука. Однако наиболее су­щественные различия в параметрах, характеризующих процесс разру­шения клеток крови здоровых и больных людей и животных, были об­наружены при интенсивностях ультразвука, близких к пороговым. Эти различия уменьшаются с уве­личением интенсивности ультра­звука и становятся пренебрежимо малыми при 0,6...0,8 .Вт/см2.

Рис. 2.11. Зависимость отноше­ния скоростей разрушения лейко­цитов здоровых (V м) и больных лейкозом (V„) коров от интенсивности ультразвука

В качестве примера можно привести зависимость отношения скоростей разрушения лейкоцитов здоровых и больных лейкозом коров от интенсивности ультразвука (рис. 2.11), Аналогичные зависимости получены и для клеток дру­гих типов.

Следует отметить, что даже в идеальных условиях поле в ближней зоне излучателя существенно неод­нородно; наряду с максимумом здесь имеются области, где амплиту­ды звукового давления обращается в пуль. Максимальные значения амплитуды звукового давления могут быть в 3-4 раза больше или меньше усредненных значений, что следует учитывать при определении порогов физико-химического и биологического действия ультразвука.

Ультразвуковой метод, позволяющий оцепить механическую резистентность цитоплазматических мембран как усредненную для всей исследуемой совокупности клеток, гак и с учетом индивидуальных различий их отдельных популяций, в последнее время все шире при­меняют в экспериментальной биологии, медицине и ветеринарии. Ис­пользованный сначала для исследования эритроцитов этот метод был назван методом ультразвуковых эритрограмм. В дальнейшем ультра­звуковой метод, пригодный для опенки механической резистентности не только эритроцитов, но и любых клеток в суспензии, стали назы­вать методом ультразвуковых цитолизограмм.

По сути метод ультразвуковых цитолизограмм представляет со­бой метод определения кинетических параметров ультразвуковой де­зинтеграции клеток, находящихся в суспендированном состоянии. Необходимым условием для ультразвуковой дезинтеграции клеток с воспроизводимой кинетикой является стабильная кавитация. Оче­видно, что разрушение клеток под действием ультразвука имеет вероятностный характер.

Регистрируя любым способом изменение концентрации клеток в суспензии в процессе воздействия ультразвуком, можно получить кривую, характеризующую распределение клеток по стойкости к ультразвуковому (механическому) воздействию - ультразвуковую цитолизограмму.

Наиболее удобный способ регистрации снижения концентрации клеток в суспензии - турбидиметрия, основанная на рассеянии света частицами среды, усредненный радиус которых более чем на порядок превышает длину волны рассеиваемого света. При этом длину волны обычно выбирают такой, чтобы поглощение света средой было мини­мальным.

Динамику турбидиметрического ослабления чаще всего регистриру­ют фотоэлектрическим способом с помощью установки, которая состоит из двулучевого колориметра, регистрирующего устройства, и генератора ультразвуковых колебаний с преобразователем небольших размеров,

В установке удобно использовать медицинские терапевтические ультразвуковые генераторы, обеспечивающие ультразвуковое излуче­ние с частотой 880 кГц и интенсивностью в интервале 0,05...1 Вт/см2.

Принцип метода ультразвуковых цитолизограмм заключается в следующем.

При введении ультразвука в кювету колориметра с суспензией клеток (рис. 2.12) последние начинают разрушаться, и светорассеяние изменяется, отражая уменьшение числа целых клеток. В кювете с пло­ским стеклянным дном, параллельным излучающей поверхности преобразователя, возникает стоячая волна, и в этом случае ультразвуко­вое ноле может быть охарактеризовано средней плотностью энергии.

Рис. 2.12, Принцип метода ультразвуковых цитолизограмм:

1 - излучатель ультразвука; 2 - фотоэлектрический коло­риметр; 3 - кювета с суспензией клеток; 4 - регистратор

На диаграммной ленте непрерывно регистрируется сигнал, пропорциональный (для достаточно малых концентраций клеток) мгно­венным значениям турбидиметрического ослабления (рис. 2.13, а).

При турбидиметрических измерениях необходимо учитывать, что кавитации сопровождается увеличением мутности среды. Рассеяние сне­га одиночной частицей, в том числе кавитационным пузырьком, возрас­тает пропорционально квадрату радиуса пузырька, и, следовательно, для цитолизиса удобно использовать высокочастотный ультразвук, так как размеры резонансных кавитационных пузырьков в первом приближении обратно пропорциональны частоте. Однако при частотах ультразвука бо­лее 1,5 МГц клетки, находящиеся в суспензии, быстро оседают на дно кюветы, не успевая разрушиться. Поэтому для метода ультразвуковых цитолизограмм чаще всего используют ультразвук с частотой 1 МГц.

Рис. 2.13. Экспериментальная кривая (а) и нормированная кривая (б) кинетики ультразвукового цитолизиса эритроцитов свиньи

При этой частоте порог кавитации в суспензии клеток около 0,35 Вт/см2, а резонансный радиус кавитациоиного пузырька примерно 3 мкм, что соизмеримо с усредненным радиусом форменных элементов крови. Кавитационных пузырьков при этих условиях намного меньше, чем клеток в суспензии, и кавитация не вносит значительных возмущений в светорассеяние,

В устойчивом режиме кавитации обусловленное ею светорассея­ние не меняется во времени, и поправка сводится к сдвигу всех мгно­венных значений ординат экспериментальной кривой на величину, обусловленную кавитационным светорассеянием (рис. 2.13, б).

Нормированная ультразвуковая цитолизограмма в интегральной форме соответствует распределению изучаемых клеток по механиче­ской резистентности.

Интегральную ультразвуковую цитолизограмму дифференцируют и анализируют па наличие локальных экстремумов. Если таких экстрему­мов нет, то цитолизограмму можно представить в аналитическом виде:

где  - показания регистратора в момент измерения;

- показания регистратора в конце измерений, когда светорас­сеяние перестает изменяться, характеризуя окончание процесса.

Параметры  и Т находят методом наименьших квадратов, спрям­ляя экспериментальную кривую в полулогарифмических координатах:

Если предэкспоненциальный множитель bo = 1 (в пределах ошиб­ки измерения), то ультразвуковая цитолизограмма имеет вид простой экспоненты, описывается приведенным выражением и может быть полностью охарактеризована постоянной времени Т.

Если же величина , то цитолизограмма имеет более сложный характер и определяется выражением:

при условии, что сумма коэффициентов 

Ультразвуковые цитолизограммы в основном можно условно раз­делить на четыре типа.

  • Если цитолизограмма имеет вид экспоненты, то, учитывая чис­то вероятностный характер процесса ультразвукового лизиса, можно полагать, что все клетки исследуемого образца равнозначны по меха­нической резистентности, которая пропорциональна постоянной вре­мени (Т) экспоненты.
  • Если цитолизограмма апроксимируется суммой экспонент, то, вероятно, исследуемая популяция клеток неоднородна по механиче­ской резистентности и представляет собой совокупность нескольких групп, внутри которых клетки равнозначны. В этом случае каждый из предэкспоненциальных множителей  равен относительной концен­трации клеток в данной группе. Механическая резистентность клеток в каждой группе может быть охарактеризована постоянной времени для этой группы .

Время, за которое происходит полный лизис характеризует усредненную механическую резистентность клеток в обоих вышепри­веденных случаях. В первом случае информативность параметров и  равнозначна, во втором необходимо учитывать, что на парамет­ре Т не отражается неоднородность исследуемой популяции клеток.

При сравнительном анализе удобно пользоваться тремя парамет­рами -  и bo. Степень отклонения bo от единицы характеризует неоднородность исследуемой популяции клеток, а увеличение Т или  свидетельствует о возрастании усредненной механической рези­стентности клеточных мембран.

  • Явно не экспоненциальный характер цитолизограммы, как пра­вило, связан со спонтанным лизисом клеток, либо с методическими ошибками (например, с неправильным определением начала процесса).
  • Неполный при данных условиях ультразвуковой лизис свидетельствует либо о присутствии в образце группы клеток с аномально высокой механической резистентностью, либо о незавершенности процесса лизиса.

Анализ результатов ультразвукового цитолизиса удобно прово­дить с использованием компьютера.

При подборе оптимальных значений: начальной концентрации клеток и суспензии, ее температуры, средней плотности энергии в ультразвуковом поле и пр. - можно подобрать условия, варьирование которых в определенных пределах мало влияет на воспроизводи­мость, точность и информативность конечного результата.

Для определения оптимальных условий ультразвукового цитоли­зиса была исследована динамика ультразвукового разрушения тромбо­цитов, эритроцитов, лейкоцитов ряда животных при изменении на­чальных концентраций клеток (турбодиметрическое ослабление в пре­делах 0,1-1,2) и при плотности энергии ультразвука 0,04...0,13 Вт/см3.

Исследование проводили при температуре 24°С, так как в интер­вале 22...28°С характер ультразвуковых цитолизограмм практически не зависит от температуры. Было установлено, что при 100%-ном ультразвуковом лизисе относительное турбидиметрическое ослабле­ние для эритроцитов принимает значение 14-15, для лейкоци­тов - 12-14, для кровяных пластинок - 10-12. Порог кавитации при повышении концентрации эритроцитов и лейкоцитов в суспензии до значений, соответствующих турбидиметрическому ослаблению, - 1,2 (для тромбоцитов 0,9) оставался в пределах 0,04...0,05 Вт/см3.

Турбидиметрическое ослабление, обусловленное кавитацией, че­рез 1...2 с после се возникновения устанавливается па постоянном уровне, практически не зависит от концентрации клеток в суспензии и составляет 0,01-0,05 (в зависимости от интенсивности ультразвука) при 540...750 нм. Для форменных элементов крови различного проис­хождения динамика ультразвукового лизиса максимально различает­ся при плотности энергии 0,04 Вт/см3. При 0,08...0,09 Вт/см3 различия существенно уменьшаются вплоть до полной нивелировки. Однако ошибка воспроизводимости метода в соответствии с оценкой по двум параметрам (время 50 %-иого и 100 %-ного лизиса) при плотности энергии 0,04 Вт/см3 в некоторых случаях достигает 40 %. При увели­чении плотности энергии до 0,05..,0,06 Вт/см3 ошибка воспроизводимости снижается до 5 %,

Для каждого типа клеток при всех исследованных плотностях энергии в поле ультразвука существует область достаточно малых концентраций клеток, в которой динамика ультразвукового цитолизиса практически не зависит от концентрации (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Концентрация клеток (но турбидиметрическому ослаблению), при которой динамика ультразвукового цитолизиса не зависит от плотности ультразвуковой энергии

Тип клепок

Плотность энергии ультразвука,

Вт/см3

0,05

0,06

0,08

0,09

Эритроциты

0,6

0,6

0,65

0,7

Лейкоциты

0,35

0,4

0,5

0,55

Тромбоциты

0,5

0,6

0,8

0,8

Во всех случаях для ультразвуковой цитолизометрии оптимальной является средняя плотность ультразвуковой энергии, равная 0,05 Вт/см3, которую можно обеспечить, излучая в кювету объемом 8 см3 звук с ин­тенсивностью 0,4 Вт/см2. Оптимальная концентрация клеток в иссле­дуемой суспензии соответствует величине начального турбидиметрического ослабления 0,2-0,35. При более высокой концентрации клеток усложняется интерпретация экспериментальных кривых, так как приходится учитывать поправки на нелинейность фотоэлектрической регистрации турбидиметрического ослабления. При более низких на­чальных концентрациях клеток снижается чувствительность метода и возникает необходимость введения поправок на светорассеяние кавитационными пузырьками. Началом процесса следует считать момент воз­никновения кавитации в жидкости, а цитолизис проводить при температуре 24 °С.

При выполнении указанных условий ультразвуковая цитолизометрия может быть успешно применена при диагностике ряда заболе­ваний, а также для оценки изменений свойств клеточных мембран при консервировании, гемосорбции, гемодиализе и других манипуляциях с клетками в суспензии.

До последнего времени систематических исследований механиче­ской прочности эритроцитов не проводилось, и лишь недавно были по­лучены данные об ультразвуковой резистентности мембран эритроци­тов человека, а также лошади, быка, коровы, пони, овцы, козы, свиньи, собаки, лисы, песца, кролика, курицы, морской свинки, белой крысы, белой мыши и др. (рис. 2.14).

Ультразвуковая резистентность эритроцитов заменю различается у животных разных видов в зависит от массы их тела, возрастая с увеличением последней в виде показательной функции

где R - резистентность эритроцитов;

М масса тела животных.

Рис. 2.14, Зависимость ультразвуковой резистентности эритроцитов от массы тела животных и человека:

1 - белая мышь; 2 - белая крыса; 3 - мор­ская свинка; 4 - курица; 5 - кролик; 6 - песец; 7 - лиса; 8 - собака; 9 - коза; 10 овца; 11 - свинья; 12 человек; 13 - пони; 14 - корона; 15 - лошадь; 16 - бык

Показатель степени отражает характер изменения ультразвуко­вой резистентности с изменением массы тела. Этот показатель мень­ше единицы. Отсюда следует, что в ряду близких видов или в про­цессе роста ультразвуковая рези­стентность эритроцитов увеличи­вается медленнее, чем масса тела животных.

Поиск причин зависимости ультразвуковой резистентности от массы тела показал, что, по крайней мере, у исследованных видов эритроциты за время сво­его существования делают при­мерно одинаковое число оборотов в кровяном русле, а время одного полного оборота уменьшается с уменьшением размера и массы животного (табл. 2.2). Соответственно уменьшается и длина пути, проходимого эритроцитами за время одно­го оборота. Средине числа оборотов за время существования эритро­цитов и время одного полного оборота были рассчитаны, исходя из данных о полном объеме крови, минутном объеме сердца и времени жизни эритроцитов соответствующих животных.

Таблица 2.2

Масса тела и некоторые параметры кровообращения теплокровных

Животные и человек

Масса тела, кг.

Цикл кровообращения, с

Количество циклов эритроцитов

Бык

620

36,8

2,8 - 105

Лошадь

570

39,7

2,9 - 105

Корова

560

35,2

2,7 - 105

Пони

150

-

Человек

G5

31,7

2,7 105

Свинья

50

27,7

2,7 - 105

Овца

47

28,3

2,9 105

Коза

44

26,3

2,8 - 105

Собака

40

25,6

2,7 -105

Лиса

7

-

-

Песец

6

-

-

Кролик

2,5

17,5

2,5 - 105

Курица

2,4

12,1

2,2 -105

Морская свинка

0,29

14,4

3,4 -105

Белая крыса

0,2

12,5

3,0 - 105

Белая мышь

0,03

7,9

3,1 - 105

Поскольку число оборотов эритроцитов за время их существова­ния у всех видов животных примерно одинаково, то у мелких живот­ных эритроциты за время их существования проходят значительно меньший путь, чем у животных крупных размеров.

По-видимому, это одна из причин, обусловливающих необходи­мость в более высокой механической прочности мембран эритроцитов крупных животных, так как в кровяном русле, в особенности в узких капиллярах, эритроциты подвергаются значительным механическим воздействиям. Прямая пропорциональность между ультразвуковой резистентностью эритроцитов и средним временем их полного обра­щения свидетельствует в пользу данного предположения. Возможно, прочность мембраны зависит от содержания в ней холестерина и сфингомиелина, увеличивающегося с увеличением массы животного при соответствующем уменьшении количества фосфатидилэтаноламина и фосфатидилхолина в мембранах.

Сравнивая зависимость, отображенную на рис. 2.14, с известной кривой «от мыши до слона», иллюстрирующей связь интенсивности обмена веществ с массой тела животного, можно предположить, что резистентность эритроцитов также связана с интенсивностью обмен­ных процессов в организме.

Подтверждение этому было получено при сравнении скорости ультразвукового гемолиза эритроцитов животных одного вида, но находящихся в разных условиях. Так, эритроциты стриженой овцы менее устойчивы к ультразвуковому воздействию, чем эритроциты овцы, покрытой шерстью, У коз, обитающих в горах, стойкость эритроцитов выше, чем у коз, живущих в равнинной местности.

Сравнение прочности эритроцитов овцы и барана, быка и коро­вы, мужчины и женщины показало, что у особей женского пола ультразвуковая резистентность эритроцитов в 1,2 раза ниже, чем у особей мужского пола (рис. 2.15), Интересно отметить, что проч­ность эритроцитов барана после кастрации постепенно уменьшает­ся и через 80 дней лишь незначительно превосходит прочность эритроцитов овец.

Характерные изменения в ультразвуковых эритрограммах че­ловека и животных можно наблюдать при различных физиологиче­ских состояниях и патологиях. При циррозе печени циркулирую­щие в крови эритроциты частично повреждаются токсическими продуктами, которые насыщают кровь вследствие функциональной несостоятельности печени. На эритрограмме коров с циррозом печени наблюдается снижение стойкости всей массы клеток. Такая картина наиболее характерна при циррозе с выраженной недоста­точностью клеток паренхимы. Аналогичные по характеру изме­нения наблюдаются при фасциолезе - паразитарном заболевании печени домашних и диких живот­ных. Выделяемые паразитом про­дукты жизнедеятельности оказы­вают влияние на ткани печени, вызывающие гепатиты и циррозы.

При лейкозах обнаружено повышение ультразвуковой резистентности лейкоцитов и эритроци­тов, что объясняется пополнением крови формами клеток, обладаю­щих повышенной прочностью кле­точных мембран.

При заболеваниях воспалительного характера, таких, как пневмо­нии, эндометриты, маститы, обнаружено увеличение содержания в кро­ви клеток с пониженной ультразвуковой резистентностью.

Рис. 2.15. Зависимость ультразвуковой рэзистености эритроцитов теплокровных от их пола к условий сущесгвования: 1 горная коза;2 -равнинная коза;3- овца, покрытая шерстью; 4 - стриже­ная овца; 5 - мужчина; 6 - женщина

Характерные изменения на эритрограммах животных наблюдают­ся и при диспепсиях, кетозах и других заболеваниях. Изменяются эритрограммы в зависимости от условий содержания и кормления животных, в том числе домашней птицы.

Ультразвуковая резистентность эритроцитов 15-дневных эм­брионов кур коррелирует с инкубационным качеством яйца, при­чем повышение выводимости благодаря доинкубационной обработ­ке яиц стимуляторами - парааминобензойной кислотой, хлорно-кислым аммонием или ультразвуком низких интенсивностей соответственно изменяет и ультразвуковую резистентность эритро­цитов эмбрионов,

В условиях загрязнения окружающей среды промышленными от­ходами представляет интерес возможность оценки состояния рыб при ртутном отравлении по скорости разрушения их эритроцитов в ульт­развуковом поле. Предварительно было показано, что некоторые от­личия в строении эритроцитов рыб не являются препятствием для ис­пользования метода ультразвукового гемолиза.

Исследования показали, что скорость гемолиза эритроцитов рыбы, обитающей в среде, содержащей препараты ртути, со време­нем увеличивается, причем скорость ультразвукового гемолиза прямо пропорциональна концентрации ртути, накапливающейся в печени рыбы.

Разработанный вначале для ветеринарных целей метод ультразву­кового цитолизиса оказался весьма полезным и в медицинской прак­тике. Так, в результате исследования крови клинически здоровых лю­дей обоего пола в возрасте 15-60 лет было установлено, что парамет­ры, характеризующие ультразвуковую резистентность эритроцитов в норме, стабильны. Эта стабильность, очевидно, обусловлена действи­ем физиологических механизмов, поддерживающих динамическое равновесие в качественном составе красной крови. Ультразвуковая ре­зистентность эритроцитов в пределах 15-60 лет мало зависит от воз­раста доноров, тогда как химическая стойкость эритроцитов подвер­жена существенным возрастным изменениям.

Исследование эритроцитов больных выявило существенные разли­чия в параметрах, характеризующих ультразвуковой гемолиз в норме и при опухолях. Так, полное время гемолиза эритроцитов здоровых допо­ров составило (485 ± 10) с, при раке молочной железы - (617 ± 30) с, при раке желудка - (603 ± 40) с, при раке легких - (555 ± 40) с и при лимфогранулематозе - (735 ± 67) с.

При опухолях ультразвуковая резистентность эритроцитов и, следовательно, их механическая стойкость заметно увеличиваются но сравнению с нормой. Аналогичные данные были получены при лейко­зах крупного рогатого скота, при спонтанных опухолях у собак, при привитой под колено взрослым крысам карциноме РС-1.

Благоприятно протекающий процесс лечения опухолевого забо­левания сопровождается снижением прочности мембран эритроцитов, вплоть до значений, характеризующих норму, и чем эффективнее ле­чение, тем быстрее стремится к норме ультразвуковая резистентность эритроцитов. Очевидно, что быстрое снижение резистентности эрит­роцитов до нормы можно ожидать также при удачной хирургической операции и незначительные изменения этого параметра при неполном иссечении опухоли или ее метастазов.

Различия в количестве разрушенных эритроцитов наблюдались ранее при ультразвуковой обработке (830 кГц; 0,2...0,8 Вт/см2; 5 мин) разбавленной в 10 раз крови здоровых животных и животных с гипотиреозом и экспериментальным диабетом. Резистентность эритроци­тов человека к низкочастотному ультразвуковому воздействию (24 кГц, 60 Вт) при некоторых заболеваниях крови также существенно отличается от нормы. Так, при серповидной анемии и с фероцитозе ус­тойчивость эритроцитов к ультразвуку оказалась заметно повышен­ной, тогда как дефицит железа в организме приводит к уменьшению стойкости клеток красной крови.

Метод ультразвуковых цитолизограграмм успешно использован и для оценки качества эритроцитов, консервированных при понижен­ных (+4оС) и низких (-196 °С) температурах. Ультразвуковая рези­стентность эритроцитов, хранящихся при +4 скачкообразно уменьшается на 4-й и 17-й день хранения, после чего остается практи­чески неизменной, вплоть до 22 суток хранения. Этот результат хоро­шо согласуется с известными данными об увеличении скорости спон­танного гемолиза в эти сроки. На ультразвуковых эритрограммах, по­лученных на 4-й и 17-й день хранения, ясно видны различия в распределении эритроцитов по группам стойкости, выражающиеся в увеличении количества менее стойких к ультразвуковому воздейст­вию клеток.

Консервирование эритроцитов при -196°С под комплексной за­щитой полиэтиленоксида с молекулярным весом 1500 и димстилацетамида, обладающих» соответственно, и экстра- и интрацеллюлярным действием, приводит к изменению распределения клеток по прочности, к увеличению числа более прочных эритроцитов. По-видимому, криофилактики оказывают стабилизирующее действие на клеточные мем­браны. Судя по ультразвуковым эритрограммам, эритроциты, хранив­шиеся в течение 5 лет при температуре -196 °С под защитой глицерина 35%-ной концентрации, лучше переносят хранение, чем эритроциты, хранившиеся в среде, где концентрация глицерина не превышала 30 %. Это хорошо согласуется с известным фактом, что криозащитное дейст­вие глицерина в определенных пределах пропорционально его концен­трации в среде.

Ультразвуковая резистентность эритроцитов, хранившихся при -196 °С, непосредственно после размораживания значительно выше, чем их резистентность после 24 ч последующего хранения при +4 °С .В связи с этим можно рекомендовать использовать их в кратчайшие после размораживания сроки.

Her принципиальных сложностей для измерения ультразвуковой резистентности лимфоцитов, тромбоцитов, сперматозоидов и других клеток. Так, при изучении лизиса форменных элементов крови свиньи в ультразвуковом поле было обнаружено, что в присутствии лейкоци­тов и эритроцитов тромбоцитопения наступает при более низких интенсивностях ультразвука, чем при воздействии ультразвуком па чис­тую тромбоцитарную плазму.

Применение ультразвуковой цитолизометрии для оценки каче­ства спермы позволило обнаружить различия в механической рези­стентности сперматозоидов животных разных видов, выявить зако­номерность, в соответствий с которой устойчивость сперматозои­дов к механическим воздействиям тем выше, чем больше масса животного. Поэтому неудивительно, что сперма быка обладает большей криорезистентностью, чем сперма кролика, поскольку при замораживании так же, как и при ультразвуковом воздействии, ме­ханический фактор является одним из приводящих к разрушению и гибели клетки.

Неизвестно, обусловлена ли повышенная прочность сперматозои­дов крупных животных биологической потребностью, или это обу­словлено повышенным содержанием холестерина и сфингомиелина во всех клетках крупных животных. Отметим, однако, весьма высо­кую резистентность сперматозоидов рыб, что, по-видимому, объясня­ется условиями внешнего оплодотворения.

Ультразвуковая резистентность сперматозоидов коррелирует с их подвижностью и, следовательно, с их оплодотворяющей способно­стью. Это позволяет быстро и объективно оценивать пригодность спермы для искусственного оплодотворения, отрабатывать щадящие режимы ее хранения при низких температурах, подбирать подходя­щие криопротекторы.

Этими примерами применение ультразвуковой цитолизомет­рии не ограничивается. Широкое применение метода позволяет ре­шать самые разные задачи. Метод ультразвукового разрушения эритроцитов и других клеток значительно информативнее метода определения механической прочности эритроцитов, используемого в настоящее время в клинической практике, и способен его заме­нить, по крайней мере, в тех случаях, когда небольшое удорожание анализов оказывается несущественным по сравнению с ценностью получаемой информации.

2.5. СОНОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ

ДИАГНОСТИКЕ


Ультразвуковое свечение жидкостей зависит от их физико-хими­ческих свойств: поверхностного натяжения, давления насыщающих паров, вязкости, природы и концентрации растворенных в жидкости веществ и т. д. Поэтому если в результате тех или иных физиологиче­ских или патологических процессов в сыворотке крови, мочи или дру­гих биологических жидкостях меняется содержание веществ, влияю­щих на сонолюмивесцепцию, то ее можно использовать для исследования динамики этих процессов и диагностики патологических состояний.

Так, если небольшое количество (6,45 мл) плазмы крови или воды поместить в кювету, дном которой служит ультразвуковой излучатель, то после включения ультразвука интенсивностью 0,05..,0,2 Вт/см2 и частотой 500 кГц в жидкости возникает свечение, быстро уменьшаю­щееся со временем. Скорость уменьшения интенсивности свечения воды всегда одинакова, а скорость уменьшения интенсивности свече­ния плазмы несколько выше, чем у воды, и заметно различается у больных и здоровых. В качестве диагностического теста удобно поль­зоваться величиной:

где  - время, в течение которого интенсивность свечения дистиллированной воды уменьшается втрое, а - время, за которое в три раза уменьшается свечение исследуемого образца плазмы.

Исследования показали, что в норме величина П = 0,75-1,0, при злокачественных патологиях II = 0,016-0,15, а при других заболевани­ях не падает ниже 0,2. Авторы связывают обнаруженный ими эффект с изменением газосодержания в плазме крови при патологических про­цессах в организме. При злокачественных новообразованиях содержа­ние кислорода в плазме не превышает 88 % от нормы. Простота и на­дежность метода позволяет использовать его для дифференциальной диагностики заболеваний опухолевой и неопухолевой этиологии.

2.6. АКУСТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ

Современная УЗ-техника позволяет не только визуализировать крупные внутренние органы животных, но и получать контрастные акустические изображения неокрашенных или непрозрачных микрообъектов - клеток, тонких срезов мягких и костных тканей.

В акустической микроскопии используются ультразвук высокой частоты (10 МГц,,.3 ГГц), так как, чем больше частота, тем короче длина волны, и, следовательно, тем выше разрешающая способность микроскопа. Действие акустического микроскопа основано на том, что рассеянные микрообъемом ультразвуковые волны создают аку­стическое изображение, которое затем преобразуется в увеличенное, видимое изображение, соответствующее акустическому.

В последнее время было найдено решение, позволившее сущест­венно уменьшить размеры акустического микроскопа и упростить ра­боту на нем. Выносной блок, содержащий объектив и сканирующее устройство, подсоединен к компьютеру, реконструирующему акусти­ческое изображение в двумерное или объемное видимое изображение неоднородностей в теле объекта. С помощью такого микроскопа мож­но легко получать изображения структуры кожи, поверхностных и подповерхностных дефектов зуба.

Список литературы

  1. Акатов В.А., Париков В.А. Ультразвук и его применение в вете­ринарии. М.: Колос, 1970.
  2. Акопяп В.Б. Лечит ультразвук. М,: Колос, 1983.
  3. Андреев В.Г., Дмитриев В.Н.Пищалъпиков Ю. А, и др. Наблюде­ние сдвиговой волны, возбужденной с помощью сфокусированного ультразвука в резиноподобной среде // Акустический журнал. 1997. №2.
  4. Бвлановский А.С. Основы биофизики в ветеринарии. М,: Агропромиздат, 1989.
  5. Гавашели T.B, Акопян В.Б. Макаров С.Н Ультразвуковая рези­стентность эритроцитов рыбы при ртутном отравлении // Доклады ВАСХНИЛ. 1982. № 7.
  6. Горский С.М, Карев И.Д., Терентъев И.Т. Ультразвуковое свече­ние плазмы крови и диагностика рака // Акустический журнал, 1989. №2.
  7. Т.Журавлев AM., Акопян В.Б. Ультразвуковое свечение. М.: Наука, 1977.
  8. Маев R.Г. Акустическая микроскопия. Состояние и перспекти­вы // Вестник АН СССР. 1988. № 2.
  9. Паункснене M.L, Владишаускас А. Ультразвуковые изменения анатомических параметров глаз животных // Научные труды вузов Литовской ССР. Сер. Ультразвук. 1984. № 16.
  10. Применение ультразвука в медицине. Физические основы / Пер. с англ.; Под ред. К. Хилла. М.: Мир, 1989.
  11. Руденко О.В., Сарвазян АЛ. Нелинейная акустика и биомеди­цинские приложения // Биомедицинская радиоэлектроника. 2000. №3,
  12. Фридман Ф.Е., Гундорова РА,, Кодзов М.Б. Ультразвук в оф­тальмологии, М.: Медицина, 1989.
  13. Янсон Х.А., Дзенис В.В..Tamapuнoв AM. Ультразвуковые иссле­дования трубчатых костей. Рига: Зинатне, 1990.


3. ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СТИМУЛЯЦИИ И УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕРАПИИ

Стимуляция организма с целью повышения его защитных сил и эффектив­ного лечения заболеваний в идеале возможна лишь в том случае, когда предельно ясны механизмы его функционирования, природа нарушений в живых системах при патологиях, последовательность реакций в организме при лечебных или стимулирующих воздействиях. Наука сегодня еще далека от понимания многих процессов, протекающих в больном и здоровом организме, представляющем со­бой очень сложную систему, состоящею из сложных подсистем, объединенных многочисленными связями.

Возможны два метода изучения таких систем - синтез и анализ.

Первый метод подразумевает исследование структуры биологических макромолекул и процессов на молекулярном уровне, принципов построения надмолекулярных структур, формирования из этих структур клеточных органелл, клеток, тканей, а также принципов усложнения процессов при переходе от более простого уровня структурной организации к сложному.

Второй метод предусматривает исследование организма как целостной системы и анализ структур, способных обеспечить реакцию системы на внеш­ние воздействия.

Оба метода дополняют друг друга и поэтому терапевтическое и стимулирующее действие ультразвука необходимо рассматривать на разных уровнях биологической организации, в том числе и на системном, организменном уровне.

3.1. ОРГАНИЗМ - БИОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Применение ультразвука в медицине, ветеринарии, биотехнологии можно рассматривать как способ управления биообъектами на любом уровне иерархии их построения: молекулы  органеллы  клетки  ткани  организмы  популяция.

Химические методы управления подразумевают воздействие на низшие молекулярные уровни с опосредованным влиянием на более высокие уровни.

Физические методы управления подразумевают воздействие на средние уровни с опосредованным влиянием как на нижележащие, так и на более высокие. При этом положительный результат на заданном уровне может сопровождаться как положительными, так и отрица­тельными эффектами па друг их уровнях.

Ультразвуковое воздействие - типичный пример управления биообъектами физическим методом.

Для управления любым биообъектом необходимы: 1) базы данных о свойствах объекта; 2) адекватная модель объекта; 3) методы контро­ля состояния объекта (диагностика); 4) методы воздействия на объект для корректировки его состояния.

Эффективное управление биообъектами, в том числе с помощью ультразвука, возможно лишь па базе комплексных исследований влияния раз­личных физических и химических факторов, из которых складывается действие ультразвука на разные уровни биологической организации.

Результаты исследования механизмов действия ультразвука на биомакромолекулы и биомакромолекулярные комплексы, в том числе цитоплазматические мембраны и клеточные органеллы, хорошо укладываются в рамки физико-химических, биохимических и биофизиче­ских закономерностей. Параметры, характеризующие чувствитель­ность биомакромолекул к ультразвуку, могут заметно меняться, отра­жая изменения в их составе и структуре. Эти изменения, в свою очередь, зависят от характера физиологических и патологических про­цессов в организме. Однако смоделировать процессы на более высо­ких уровнях биологической организации по изменению свойств мак­ромолекул весьма непросто. Примером может служить квазихимическая модель ультразвукового воздействия на рост и развитие клеточных популяций организма.

В общем случае при анализе жизнедеятельности организма нужно знать не только свойства отдельных клеток, но, что не менее важно, свойства клеточных популяций, из которых состоит организм.

Рис. 3.1. Фазы клеточного цикла:

G-первая стадия подготовки; S - стадия син­теза; G - вторая стадия подготовки; М- стадия митоза

Наиболее известными клеточными попу­ляциями организма человека (пространства этих популяций), помимо миоцитов, являются клетки крови - эритроциты, лимфоциты, лей­коциты, клетки ткани печени (гепатоциты), клетки костном ткани (остеоциты).

Клеточными популяциями являются мик­робы, поселяющиеся в организме, который ста­новится для них «жизненным пространством».

Построение квазихимической модели роста клеточных популяций начинается с анализа основных стадий клеточного цикла, состоящего из четырех этапов; G1- 1-й этап подготовки, S- синтез, G2- 2-й этап подготовки, М - митоз (рис. 3.1).

Установлено, что при заданных внешних условиях длительности клеточного цикла в целом и его отдельных стадий достаточно хорошо воспроизводятся и имеют характеристики, присущие данной клеточ­ной линии.

Квазихимическая модель клеточного цикла, начиная с митозаделения материнской клетки  может быть схематично представле­на в виде цепи последовательных стадий-периодов:

Здесь С1 - молодая клетка непосредственно после деления, С2 Сз, Ст последующие ее фазы развития до митоза. Фазы С1 - Ст пред­ставляют клетки четырех возрастов.

Фактор размножения  определяет число клеток, на которые делит­ся митотическая клетка Ст. В простейшем случае - 2 (две клетки).

Модель называется квазихимической потому, что взаимодействие клеток и химических веществ (субстратов и токсикантов) в растущей популяции отображается в виде химических реакций с помощью ква­зихимических уравнений. При этом отображается биохимическая структура растущей популяции - ее химические взаимодействия с окружающей средой.

Необходимым условием роста популяций тех или иных биологи­ческих видов является наличие набора М питательных веществ (суб­стратов) для данного биологического вида S:

где Ms - вектор набора субстратов (Ms1, Мse) для биологического вида S.

Упрощенное описание развития популяции в отсутствие токси­кантов и внешних источников можно представить в виде укороченной цепи из двух стадий - роста и деления, дополненных стадией самоин-гибирования.

Получают двухстадийную модель роста и деления в присутствии двух токсикантов (ингибиторов роста) Х1, Х2.

Приращение (или убыль) численности популяции в результате при­тока (оттока) из внешней среды ЕЕ субстратов и особей разных возрас­тов учтено в следующих псевдохимических уравнениях реакций:

где С1 - совокупность клеток разных возрастов до митоза;

Ст - митотические клетки;

Са ~ клетки в анабиозе (покое);

М1, М2 - субстраты;

 - кинетические константы соответствую­щих реакций.

Предполагая постоянство количеств субстратов М1, М2 кинетику цепного роста изолированной популяции, состоящей из особей C1 и Сm, можно описать системой из двух дифференциальных уравнений:

где с1 и сm - плотности популяций растущих и зрелых особей;

- мощность внешнего источника особей С1;

a, b, g, р - кинетические коэффициенты автоингибирования, рожде­ния (разветвления), гибели и роста популяционной цепи .

В коэффициенты р и b включены постоянные количества субстра­тов М\коэффициент размножения. Для разделившейся митотической клетки =2. В общем случае значение/может быть как меньше, так и больше 2. Коэффициенты bх и рх являются функциями от концентрации ингибиторов \

Система уравнений (3.4)--(3.5) для изолированной популяции  имеет две стационарных точки (0,0) и :

Первая точка (0,0) отвечает полному вымиранию популяции. Вто­рой точке соответствует предельная численность популяции .

Численности популяции в целом и клеток в разных фазах разви­тия в условиях изоляции, согласно формулам (3.7), являются функ­циями содержания ингибиторов в среде. Как следует из соотношений (3.6), с ростом содержания ингибиторов Х1 и Х2 возрастают величины bх и рх. При этом предельная численность клеток С1 и C2 падает и дос­тигает нуля при равенстве

Уравнение (3.5), как правило, описывает более быстрые измене­ния по сравнению с (3,4). Поэтому для митотических клеток Cm, со­ставляющих обычно небольшую долю популяции (промежуточный продукт), применимо квазистационарное приближение, В этом при­ближении система (3.4), (3.5) сводится к одному уравнению:

Здесь

Где К1 - предельная плотность особей С1 при ,

Частное решение уравнения (3.9) при  имеет вид

где А равно левой части уравнения, если при t = 0 величина с = -c0-c1(0).

Двухстадийная модель роста популяции, описываемая квазихимичесими уравнениями (3.2), позволяет наглядно реализовать математи­ческую формализацию и получить в явном виде аналитические зависи­мости, количественно описывающие ультразвуковые воздействия.

Для учета ультразвукового цитолизиса двухстадийную модель (3.2) следует дополнить стадиями

где gsv gSm - кинетические коэффициенты поражающего действия ультразвука на клетки; Cd - лизированые клетки.

Модель (3.2) предполагает, что токсиканты действуют только на растущие С1 и митотические Cm клетки и не влияют на коэффициенты роста a, b, р. Очевидно, что ультразвук в зависимости от его интенсивности не только способен привести к нарушению механической цело­стности клеток, но и может заметно влиять на указанные выше кине­тические коэффициенты. При этом возможно как возрастание этих параметров (ультразвуковое промотирование), так и их уменьшение (ультразвуковое ингибирование).

Очевидно, что при  (отсутствие ингибиторов) и  (изоляция) кинетические коэффициенты  прямого токсического дей­ствия равны нулю. Но химическими агентами могут быть вещества, образующиеся при сонолизе. Система уравнений (3.4)-(3.5) и уравнение (3,11) описывают рост популяции как частный случай, если вместо ки­нетических коэффициентов b,р и g использовать коэффициенты bs,Ps и gsi, учитывающие влияние ультразвука на рост клеток.

Предельная плотность К1 особей С1 при ультразвуковом воз­действии

В зависимости от характера изменения ко­эффициентов bs и as иод действием ультразву­ка величина К1s может как возрастать, так и уменьшаться. При достижении значения К1 = cо, где cо - начальная численность особей С1, скорость роста популяции согласно (3.9) обращается в нуль. Рост популяции отсутству­ет, и се численность остается па исходном уровне.

Условия действия ультразвука, соответствующие К1 = cо, являются в этом смысле цитостатическими.

График функции (3.11) описывает рост биологических популяций под действием ультразвука в отсутствие внешних источников осо­бей. Данную зависимость целесообразно называть экозвуковой кривой роста популяции.

Рис. 3.2, Эксперимен­тальные точки и теоре­тические графики фун­кции t ^ /(с), описы­вающей рост числа кле­ток пивных дрожжей при разных интенсивностях ультразвука:

1 - 0,5 Вт/см2; 2 - 1,0 Вт/см2; 3- 1,5 Вт/см2;

4 - 2,0 Вт/см ;

На рис. 3.2 приведены эксперименталь­ные точки и графики, рассчитанные по урав­нению (3.11), описывающие рост числа кле­ток пивных дрожжей при ультразвуковом воздействии. В пределах точности измерений расчетные кривые согласуются с эксперимен­тальными данными при изменении численно­сти клеток примерно на шесть порядков. Ко­эффициенты:  .

При большом числе параметров путем подбора нетрудно достичь согласия теории и эксперимента. Поэтому соответствие модели и объ­екта легко проверить теоретическими расчетами с использованием экспериментально определенных параметров.

Б представленных здесь наиболее общих уравнениях в явном виде содержатся три неизвестных параметра , и все они зависят от условий действия ультразвука. С учетом этого для построения экозвуковой кривой необходимо иметь четыре независимых парамет­ра - aS, bS1 ps и fs, характеризующих рост популяции без токсикантов.

Коэффициент продолжения цепи ps легко определяется по началь­ной логарифмической фазе кривой роста. Предельное значение числен­ности особей на этой кривой (рис. 3.2) равно отношению . В этом случае коэффициенты для уравнения (3.2)  .

Зная значение Ks1, можно рассчитать фактор размножения Иными словами, все параметры экозвуковых кривых роста популяций могут быть экспериментально определены.

Обработка доступных экспериментальных данных по описанной выше методике показывает, что расчетные кривые в пределах точно­сти согласуются с результатами измерений (см. рис. 3.2).

Следует отметить, что предлагаемая здесь модель позволяет опи­сывать не только ингибирование, но и стимуляцию (промотированис) биологического роста. При этом необходимо иметь в виду, что в квазихимической концепции понятие «субстрат» включает не только биохимические субстраты - вещества, но и организмы.

Например, для потребляющих организмов - консументов - в каче­стве субстратов могут рассматриваться соответствующие производящие организмы - продуценты (головастик + личинка лягушонок).

Уравнения, полученные па основе квазихимических моделей, позволяют теоретически рассчитывать эффекты совместного действия ультразвука и химических веществ на динамику популяций, т. е. ре­шить одну из важнейших задач теоретической биологии и экологии.

В качестве количественного критерия эффектов действия ингиби­торов или промоторов можно использовать отношение

где Тх, Т0 - периоды индукции (инкубации) при действии агентов х1, х2 и в их отсутствие. Эти величины рассчитывают непосредственно по уравнению (3.11).

Расчетная кривая «доза - эффект» Et (х1, х2) для дрожжей удовлетворительно согласуется с экспериментом (см. рис. 3.2).

1

Рис. 3.3. Яма с шариком - простей­шая модель возможных состояний сложной биологической системы:

1 - основное состояние; 2 кпазистациопарные состояния

Биосистема в целом обычно находится в квазистационарном равновесии, как, например, шарик на дне ямы с пологими стенами и ямка­ми различного размера, располо­женными в разных местах на стен­ках ямы (рис. 3.3). Небольшие воздействия могут вывести систе­му из стационарного состояния, но защитные механизмы вернут ее обратно, подобно тому, как воздей­ствие на шарик в яме выведет его из самой низкой точки, но под действием сил тяжести шарик снова скатится на дно. Такая модель хо­рошо известна в физике как модель частицы в потенциальной яме.

Если биосистема долго остается в некотором новом состоянии (в углублении на стенке основной ямы), то в ней начинают происходить структурные изменения (шарик как бы продавливает дно новой ямки и увеличивает ее глубину), и вероятность того, что система и дальше будет находиться в этом состоянии, увеличивается. В этом случае сис­тему можно рассматривать как новую, образованную из исходной в результате определенной перестройки. Процессы перестройки углуб­ляются со временем, и чем дальше, тем сложнее повернуть их вспять и тем более энергичные требуются воздействия, чтобы вернуть систему в исходное состояние.

Такое представление о биологической системе не противоречит известному факту, что болезнь тем легче поддается лечению, чем рань­ше оно начинается.

Живой организм как система реагирует на возмущения - сигналы из окружающей среды, прогнозирует ее возможные изменения в буду­щем и с помощью своих регуляторных механизмов так изменяет свои параметры, чтобы подготовиться к оптимальному функционированию в новых условиях.

Рис. 3.4. Области состояний сис­темы, характеризуемой двумя па­раметрами: 1 - область рабочих состояний; 2 ~ об­ласть допустимых состояний

Если систему характеризуют два параметра -АиВ, то в координатах А,В (на фазовой плоскости) каждо­му состоянию системы i будет соответствовать изображающая точка с координатами (Аi Bi) (рис, 3.4). Совокупность всех изображающих то­чек составит область допустимых состояний системы.

Характеристики любой системы могут меняться лишь в ограничен­ных пределах, в области допусти­мых состояний. Выход изображающей точки за границы области озна­чает либо разрушение системы, либо ее превращение в новую систему с другим набором параметров. В реальных условиях параметры системы меняются в более узких пределах, образуя область рабочих состояний, причем эта область, очевидно, целиком лежит в пределах области до­пустимых состояний.

Сложные, в том числе и биологические, системы характеризуются не двумя, а значительно большим числом параметров. Поэтому со­стояние системы определяется точкой в фазовом пространстве, раз­мерность которого n равна числу свойств, характеризующих систему.

Например, состояние человека характеризуется массой его тела, температурой, давлением крови, скоростью оседания эритроцитов и множеством других параметров.

Влияние ультразвука на биосистемы проявляется па всех уровнях организации, начиная с молекулярного и кончая организменным, и за­висит как от параметров, характеризующих ультразвуковое поле, так и от свойств среды и состояния системы. Реакция биосистем на ультразвук тем более сложна и трудно предсказуема, чем сложнее меха­низм ее функционирования, чем выше ее структурная организация.

3.2. ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА БИОМАКРОМОЛЕКУЛЫ

В РАСТВОРАХ

В поисках первичных механизмов биологического действия ульт­развука нередко исследуют влияние ультразвука на свойства простых веществ и биополимеров либо в растворах отдельных веществ или групп веществ, либо непосредственно в организме.

Два методических подхода - исследование действия ультразвука на систему в целом и на ее отдельные элементы - дополняя друг дру­га, позволяют оценить зависимость ультразвуковой резистентности макромолекул и макромолекулярных комплексов от их структуры и свойств, а также от свойств среды. Кроме того, такие исследования да­ют возможность определить, какими свойствами среды обусловлено превалирующее влияние одного или нескольких факторов из числа тех, из которых складывается физико-химическое и биологическое действие ультразвука.

Лучше всего изучено действие ультразвука на водные растворы аминокислот, оснований, белков и нуклеиновых кислот.

Аминокислоты в поле интенсивного ультразвука (10 Вт/см2, 0,6...0,8 МГц) в течение нескольких часов синтезируются из более про­стых веществ и сами испытывают существенные химические превра­щения. Однако и низкие интенсивности ультразвука способны замет­но изменить их свойства.

Так, уже при 0,3 Вт/см2 (0,9 МГц) после 10…15-минутной ультразвуковой обработки наблюдаются изменения в оптических спектрах поглощения водных и водно-солевых растворов фенилаланина, тиро­зина и триптофана. Причем, как облучение ультразвуком раствора аминокислоты, так и растворение аминокислоты в воде, предвари­тельно подвергнутой действию ультразвука, приводит к качественно одинаковым результатам.

Очевидно, наблюдаемые изменения в основном обусловлены взаимодействием молекул аминокислот с И2О2, HNO2, НNО3, обра­зующихся под влиянием ультразвука в водных, насыщенных возду­хом растворах.

Относительно малые изменения, обнаруженные при растворении аминокислот в предварительно обработанной ультразвуком воде, объ­ясняются более низкой химической активностью, в частности, H2O2, HNO2 и HNO3, по сравнению с активностью промежуточных продук­тов их образования.

Длительное облучение ультразвуком (2,6 МГц; 3 Вт/см2; 3 ч) в присутствии воздуха приводит к разрыву ароматического кольца в молекуле триптофана. Получасовая обработка насыщенного воздухом водного раствора цистеина ультразвуком (0,8 МГц 5 Вт/см2) приводит к полному блокированию его SH-групп, чего не наблюдается в свобод­ной от азота среде.

Пуриновые и пиримидиновые основания в растворе также испыты­вают заметные изменения под действием ультразвука. По чувствитель­ности к ультразвуку (5 Вт/см2,1 МГц) они образуют следующий ряд: тимидин —> уридин —> цитозин —> аденин. Пороговая интенсивность, при которой возникают изменения в тимидине и уридине, составляет около 0,5 Вт/см2. Насыщение раствора закисью азота N2O полностью подавля­ет эффект ультразвукового воздействия. Последнее свидетельствует о радикально-цепной природе ультразвукового воздействия, так как N2O является эффективным акцептором свободных радикалов.

Широкое использование ультразвука в медицинской диагностике, терапии и биотехнологии вызывает острую необходимость изучения его влияния на ферменты и другие биологически важные объекты па молекулярном уровне.

Ультразвук заметно влияет на структуру и функции белков и нуклеиновых кислот. Эти изменения зависят от размеров и формы моле­кул, от природы присутствующих в растворе посторонних веществ и параметров ультразвукового поля.

Белки, имеющие компактную, глобулярную форму, менее чувст­вительны к ультразвуку, чем фибриллярные белки.

Например, полная необратимая инактивация химотрипсина в разбавленных растворах (4 10-5 М) под действием ультразвука с интенсивностью 2 Вт/см2 (0,9 МГц) при комнатной температуре достигается лишь в результате 40-минутного воздействия.

Предполагается, что инактивация фермента в основном обуслов­лена влиянием свободных радикалов, образующихся в облучаемых ультразвуком растворах. Об этом свидетельствует характер зависимо­сти скорости инактивации -химотрипсина от интенсивности ультра­звука, а также от природы насыщающего облучаемый раствор газа (кислород, азот, аргон, углекислый газ) и присутствия в растворе ак­цепторов свободных радикалов или ингибиторов свободнорадикальных процессов.

Цистеин, аланин, лейцин, гистидин, метионин, валин, глутамин, а также аскорбиновая кислота, сыворочный альбумин и гликоген в раз­личной степени защищают облучаемый ультразвуком фермент от раз­рушения.

Полагают, что эти вещества могут взаимодействовать с активным центром фермента, образуя подобие фермент-субстратного комплек­са, более устойчивого, чем только фермент, к ультразвуковому воздей­ствию. Однако, скорее всего, эффект обусловлен конкурентным взаи­модействием этих веществ со свободными радикалами, образующи­мися в жидкости под действием ультразвука,

В настоящее время проведены систематические исследования ультразвуковой инактивации пероксидазы хрена, тиреоид-пероксидазы человека (ТПЧ), каталазы печени быка и уреазы соевых бобов в связи с большой практической важностью перечисленных объектов в медицине и иммунобиотехнологии.

Проведенные исследования показали важную роль молекулярной массы, структуры, концентрации фермента и свойств среды (рН, присутствие органических сорастворигелей) в кинетике ультразвуковой инактивации биокатализаторов. Особую роль в инактивации фермен­тов в ультразвуковом иоле играет их олигомерная структура.

Глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназа (Г6ФДГ по классификатору ферментов 1.1.1.49) содержится во всех клетках организма человека и животных, играет ключевую роль в пентозофосфатном цикле, так как поставляет восстановленный НАДФ Н для синтеза жирных кислот. Именно поэтому Г6ФДГ была выбрана в качестве объекта для изучения кинетики ее инактивации в водных растворах иод влиянием низкочас­тотного ультразвука (20,8 кГц) мощностью 53...65 Вт. Ультразвук низкой частоты применяется в биотехнологии для дезинтеграции клеточных структур, а также в хирургической медицинской практике (см. гл. А),

Ультразвуковая инактивация Г6ФДГ обнаруживает три четко выраженных стадии: лаг-период, продолжительность которого уменьшается с ростом плотности ультразвуковой энергии в среде; вторая, бы­страя стадия, скорость которой зависит от плотности ультразвуковой энергии; третья, медленная стадия потери активности фермента.

Ясно, что при повышении температуры от 36 до 509С Г6ФДГ претерпевает термоинактивацию. По этой причине во всех случаях инактивацию Г6ФДГ под влиянием ультразвука сравнивают с термиче­ской инактивацией фермента в аналогичных условиях.

В течение двух часов Г6ФДГ в высоких концентрациях термостабильна, но с разбавлением фермента после лаг-периода его активность резко падает, а сама инактивация характеризуется двумя стадиями. Лаг-период сокращается с уменьшением концентрации фермента, а ско­рость инактивации во второй фазе процесса увеличивается с разбавлени­ем Г6ФДГ, в результате чего его концентрация снижается с 20 до 3 нМ.

Термоинактивация Г6ФДГ при 39 оС не проявляется при концентрациях 20 и 10 нМ. Однако ультразвук инактивирует Г6ФДГ как при этой, так и при более высоких температурах (44 и 50 °С). Примечательно, что при воздействии на фермент ультразвуком лаг-период ис­чезает, а скорости его инактивации резко возрастают.

Повышение концентрации Г6ФДГ при всех температурах ведет к увеличению его устойчивости. Ультразвуковая составляющая инакти­вации фермента весьма значительна и возрастает с его разбавлением и повышением температуры.

Снижение скорости термо- и ультразвуковой инактивации фер­ментов с увеличением их концентрации известно для пероксидазы хрена, тиреоид-пероксидазы человека, тетрамерной каталазы печени быка, гомогексамерной уреазы соевых бобов и пр.

Скорее всего, снижение скорости термо- и ультразвуковой инактивации ферментов с увеличением их концентрации связано с ассоциацией молекул белков в агрегаты. Эти агрегаты более устойчивы к воздействию температуры и ультразвуковой кавитации, инициирую­щей в водной среде в присутствии кислорода появление активных свободных радикалов НО2 и НО. Характер зависимости скорости ультразвуковой инактивации от концентрации в случае олигомерных ферментов - димерных Г6ФДГ и тиреоид-пероксидазы человека, тетрамерной каталазы и гомогексамерной уреазы - может объясняться также влиянием ультразвука на степень диссоциации субъединичных белков на тримеры, димеры и отдельные субъединицы в отличие от термоинактивации олигомеров, когда действие ультразвука отсутст­вует вообще.

Несмотря на небольшой температурный интервал, в котором исследовалась термо- и ультразвуковая инактивация Г6ФДГ-азы, мож­но оценить эффективные энергии активации для суммарного процес­са термоинактивации и ультразвуковой инактивации Г6ФДГ-азы.

Такое сравнение приведено в табл. 3.1, из которой следует, что во всех трех случаях Еакт до точки излома (36...44 °С) существенно ниже ее значений при более высоких температурах (44...50 °С). При термо­инактивации наблюдается увеличение Еакт с ростом концентрации Г6ФДГ-азы от 3 до 20 нМ, в то время как в случае суммарной инакти­вации для ее ультразвуковой составляющей значения Еакт проходят через максимум при концентрации фермента 5 нМ.

Из табл. 3.1 следует также, что величины Еакт при концентрациях Г6ФДГ-азы 5...20 нМ минимальны для ультразвуковой составляющей процесса, выше - для суммарной инактивации и существенно возрас­тают при термоинактивации фермента, т. е. ультразвук снижает активационный барьер трансформации белка. Изломы на температурных зависимостях свидетельствуют о сходной природе инактивации при термической обработке белка и воздействии ультразвуком.

Таблица 3.1

Энергия активации (ккал/моль) суммарной термической и ультразвуковой (20,8 кГц; 62 Вт) инактивации Г6ФДГ в 0,1М.фосфатном буфере

(рН7,4; 35/50)

Концентрация Г6ФД,ГнМ

Суммарная инактивация

Термоинактивация

Ультразвукавая инактивация

до 44 °С

44 °С

до44°С

выше 44 °С

до 44 °С

виыше

44 °С

3,0

8,6

61,4

8,4

70,6

8,8

41,0

5,0

19,6

79,8

21,5

83,8

22,0

47,5

10,0

17,4

71,6

139,9

15,4

31,7

20,0

18,7

61,0

138,6

13,6

17,5

Инактивация ферментов зависит также от кислотности среды. Так, Г6ФДГ-аза наиболее устойчива к ультразвуку и температуре в интервале рН = 6...8, в то время как ее суммарная, термо- и ультразву­ковая инактивация заметно возрастают при рН == 8,6 и 9,1, т. е. в облас­ти, где фермент проявляет максимальную каталитическую активность и, следовательно, наибольшую конформационную лабильность.

Доля ультразвуковой составляющей в суммарной инактивации Г6ФДГ-азы меняется при разных рН среды и возрастает от 26...30 % при рН = 8,6..9,1 до 50...60 % при рН = 6,0,..7,4. Кинетические кривые, отражающие суммарную и ультразвуковую инактивации Г6ФДГ-азы, полностью согласуются с диссоциативной схемой потери активности этого субъединичного фермента.

При повышении концентрации Г6ФДГ в растворе существует в виде тетрамера из четырех субъединиц (Е4), который представляет собой «димер обычного димера». В стабилизации связей между димерами главную роль играют ионные взаимодействия, а между субъединицами в димерах превалируют гидрофобные взаимодействия и водородные связи. Моно­мер Г6ФДГ-азы, как правило, каталитически не активен.

Схему инактивации Г6ФДГ-азы можно представить следующим образом:

где Е4, Е2, Е1 и EДен - тетрамер, димер, мономер фермента и его денатурированная форма, а  константы скоростей прямых и обратных стадий.

Предполагается, что лаг-периоду па кинетических кривых инак­тивации соответствует диссоциация гетрамера на каталитически ак­тивные дим еры, Очевидно, что отношения активностей А/А0 при этом не уменьшаются. После окончания лаг-периода диссоциирует димер с лотерей каталитической активности.

Диссоциация димера Е2 состоит из двух стадий - быстрой и мед­ленной, что отражается в виде изломов на полулогарифмических ана­морфозах кинетических кривых суммарной и чисто термической инактивации. В последней стадии каталитически неактивный моно­мер фермента необратимо денатурирует.

При ультразвуковой кавитации с относительно высокими скоро­стями генерируются активные радикалы НО, O2,НO2 и атом Н пре­вращающийся в радикал HO2 с частотой соударений:

Радикал HО играет превалирующую роль в ультразвуковой инак­тивации пероксидазы хрена, тиреоид-пероксидазы человека, катала­зы, уреазы и многих других ферментов.

В случае Г6ФДГ-азы в течение лаг-периода продукты взаимодей­ствия НО с аминокислотными остатками фермента ароматической природы накапливают, что приводит к диссоциации тетрамера в ре­зультате разрушения электростатических связей.

Содержание ароматических аминокислотных остатков у глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназ довольно велико: 36-50 остатков тирози­на (Тир), 40-64 остатка фенилаланина (Фен), 14-26 аминокислотных остатков гистидина (Тис) и 8-16 остатков триптофана (Три). Все пе­речисленные остатки с высокими скоростями реагируют с ПО: кон­станты скорости равны для Гис 1,9 · 109, для Тир - 1,2 · 1010, для Три - 1,1 · 1010 и для Фен - 6,7 - 109 M-1c-1. Реакции НО с ароматическими аминокислотными остатками способствуют разрушению водородных связей и нарушению гидрофобных взаимодействий, что приводит к диссоциации димeра Е2 до мономера Е1 с потерей каталитической ак­тивности Г6ФДГ -азы.

Поскольку строение активного центра Г6ФДГ-азы неизвестно, го­ворить о прямой атаке радикалов НО на аминокислотные остатки в этом центре не приходится.

Относительное влияние свободных радикалов на ультразвуковую инактивацию ферментов оценивается по воздействию на этот процесс скавенджеров (акцепторов) радикалов НО (маннитол, этанол) и инги­биторов свободнорадикальных процессов из ряда полифенолов и их полидисульфидов.

Следует отметить, что при отсутствии кавитации ультразвук низ­ких (терапевтических) интенсивностей практически не меняет актив­ности хороню очищенных ферментов в растворе, поэтому влияние ультразвука непосредственно на активность того или иного фермента не может служить первичным актом взаимодействия ультразвука с биологической системой.

Если белки иммобилизованы, т.е. связаны с поверхностью кле­точных мембран или нерастворимых гранул-носителей, то ультразвук даже малых интенсивностей (0,2 Вт/см2, 0,88 МГц) заметно увеличи­вает скорость ферментативных реакций. Этот аффект скорее всею обусловлен ультразвуковыми микропотоками, перемешивающими гонкие слои жидкости у поверхности носителя к облегчающими диф­фузию субстрата к ферменту.

Молекулы фибриллярных белков, в отличие от глобулярных, до­вольно чувствительны к ультразвуку, В особенности те, структура ко­торых не связана жесткими поперечными связями и может изменять­ся при относительно слабых воздействиях. К числу таких белкой от­носится мышечный белок - актомиозин.

Пятиминутное облучение растворов актомиозинов как скелетной, гак и гладкой мышц ультразвуком (1 Вт/см2; 0,88 МГц) не снижает их ферментативной активности, хотя характеристическая вязкость белка и число титруемых сулемой сульфгидрильных групп, оптические спек­тры поглощения растворов в области 210.,.350 им и степень спиральности белковых молекул существенно зависят от интенсивности ультра­звука. Свойство молекул актомиозина образовывать в определенных условиях агрегаты также изменяется, что отражается не только на вяз­кости растворов белка, но и на сократительной способности актомиозиновых нитей, приготовленных прессованием поверхностных пленок из облученного ультразвуком (0,9..З Вт/см2; 2,6 МГц; 10 мин) актомиозина. Нити получаются рыхлыми, непрочными и в присутствии АТФ со­кращаются в 1,2 1,5 раза меньше контрольных.

Вязкость и электропроводность растворов другого фибриллярно­го белка - фибриногена, а также электрофоретическая подвижность его молекул меняются уже в первые минуты воздействия ультразву­ком с интенсивностью 0,2...1,5 Вт/см2.

Молекулы коллагена в водно-соленых растворах, облучаемых ульт­развуком (0,2…2 Вт/см2; 0,88 МГц; 5...20 мин) при температуре 20...25°С, также испытывают существенные изменения, выражающиеся в изме­нении температуры и теплоты денатурации коллагена. Энтальпия те­пловой денатурации 0,3 %-ного раствора белка, изменяясь под дейст­вием ультразвука, достигает максимума при интенсивности 1 Вт/см2.

Аналогичная зависимость получена и при исследовании изменения коэффициента поляризации люминесценции раствора коллагена, об­лученного ультразвуком.

Можно предположить, что ультразвук низкой интенсивности вы­зывает частичную деполимеризацию молекул коллагена, а интенсивно­сти, превышающие 1 Вт/см2, приводят к денатурации белка, причем скорость денатурации тем выше, чем выше интенсивность ультразвука.

В тканях ультразвук приводит к дестабилизации связей между молекулами коллагена и окружающим матриксом. Кратковременное облучение кожевой ткани ультразвуком (2 мин) па один-два порядка увеличивает количество экстрагируемого из нее коллагена. Мощное низкочастотное ультразвуковое воздействие в 25 раз ускоряет разволокнение коллагеновых структур даже дубленой кожевой ткани, об­резки которой составляют отходы кожевенной промышленности.

Пользуясь различной чувствительностью белков к ультразвуку, можно избирательно, ингибируя тот или иной фермент в полиферментных системах, исследовать их роль в этих системах.

Молекулы ДНК и РНК в ультразвуковом поле (10 Вт/см2; 0,8 МГц) в первые же минуты облучения распадаются на фрагменты примерно равной молекулярной массы. Воздействие в течение не­скольких часов приводит к появлению в растворе свободных нуклеотидов. По-видимому, это явление может наблюдаться и тогда, когда ве­роятность кавитации невелика или когда в каптирующем растворе присутствуют акцепторы свободных радикалов, т.е. деполимеризация макромолекул нуклеиновых кислот обусловлена в основном гидродинамическими силами, возникающими в ультразвуковом поле. Действи­тельно, градиенты скоростей микропотоков вблизи пульсирующего га­зового пузырька по порядку величины 104…105 с-1 сравнимы со значе­ниями градиентов в гидродинамических установках, при которых происходит деградация макромолекул.

При интенсивности ультразвука 0,2...1,5 Вт/см2 (0,9 МГц; 110... 120 мин) наряду с фрагментацией наблюдаются более тонкие из­менения, выражающиеся в уменьшении прочности связей между нук­леиновыми кислотами и белками в нуклеопротеидных комплексах. Этот эффект наблюдается не только при облучении ультразвуком сус­пензии нуклеопротеидов в среде, но и при ультразвуковой обработке одной только водной среды с последующим субсидированием в ней нуклеопротеидных частиц. В основе этого эффекта, очевидно, лежит химическое взаимодействие между нуклеопротеидными комплексами и долгоживущими химически активными частицами, возникающими в водной среде под действием ультразвука.

Влияние образующихся в ультразвуковом поле химически актив­ных веществ на ДНК и РНК не обязательно обусловливает денатура­цию или деградацию макромолекул.

Например, взаимодействие нуклеиновой кислоты с NO2 может привести к замене одного основания (цитозина) другим (урацилом). Возможно, эта и аналогичные реакции являются одной из причин хро­мосомных нарушений, вызываемых ультразвуком (см. подразд. 3.2,4).

Как химическое, так и механическое действие ультразвука наблю­дается во всех случаях, когда интенсивность ультразвука превышает порог кавитации. Однако, если воздействию подвергаются низкомо­лекулярные частицы (мономеры, т-РНК), то превалирует химическое действие. Когда же молекулярный вес частиц велик (ДНК, м-РНК), то основную роль играют механические силы.

Под влиянием ультразвука изменяются и свойства нуклеопротеидных комплексов - эухроматина и гетерохроматина.

Среди множества способов дезинтеграции ультразвуковой метод, пожалуй, наиболее эффективен, технологичен и стабилен но воспро­изводимости результатов, Однако не всегда можно отождествлять свойства исследуемых веществ в организме с их свойствами после выделения с помощью ультразвуковых методов. Здесь нужна разумная осторожность. Не следует забывать о возможных химических превра­щениях, обусловленных ультразвуком.

3.3. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ И МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ Б КЛЕТКАХ

Реакции на ультразвук отдельных, не связанных друг с другом клеток и совокупности клеток различны, так как неодинаковы усло­вия взаимодействия клеток и клеточных систем, например с микропо­токами, а также потому, что па тканевом уровне функционирование отдельных клеток находится под контролем межклеточных регуляци­онных систем. Роль этих систем обнаруживается при сравнении дей­ствия ультразвука на клетки в суспензиях и тканях.

Так, в стоячей ультразвуковой волне (4...6 Вт/см2; 0,75...1 МГц) с клеток Не La в суспензии смываются поверхностные слои, отделяются нитевидные образования, в мембранах возникают дыры. Эти же клет­ки в монослое практически не испытывают изменений даже при впя­теро большей интенсивности ультразвука.

Некоторые виды клеток в обычных условиях существуют в сус­пендированном состоянии. Это эритроциты, лейкоциты и другие клетки крови, сперматозоиды, бактерии, одноклеточные водоросли и пр. Другие клетки можно получить в виде суспензии, только приме­няя специальные методы. Чувствительность разных типов клеток к ультразвуковому воздействию весьма различна. Некоторые из них, например клетки амебы, выдерживают весьма интенсивное облуче­ние. Так, после 10-минутной обработки ультразвуком интенсивностью 200 Вт/см2 (1 МГц) в суспензии остается 50% жизнеспособных осо­бей, а клетки Не La в суспензии начинают разрушаться при 0,7 Вт/см2 (0,75 МГц,).

Одноклеточные, пожалуй, наиболее устойчивы к изменениям внешних условий, к действию различных физико-химических факто­ров, в том числе к действию ультразвука.

Механическая резистентность одноклеточных заметно меняется в зависимости от их величины, формы, особенностей строения, периода и жизненном цикле и т. д. Однако в среднем она достаточно высока, и многие одноклеточные остаются в суспензии целыми и жизнеспособ­ными даже после облучения весьма интенсивным ультразвуком. Дос­таточно отметить, что еще никому не удавалось только с помощью ультразвука полностью избавиться от микроорганизмов в жидких средах, т.е. стерилизовать их.

Разрушению структуры клеток предшествуют заметные измене­ния их физиологического состояния, и если механическая резистент­ность клеток меняется и широких пределах (0,1.,.10 Вт/см2; 0,5...2 МГц; 1...104 с) в зависимости от типа клеток, то пороговые фи­зиологические изменения происходят в значительно более узкой об­ласти (0,1. ..0,5 В т/см 0,5.. .2 МГц; 10… 100 с).

Хорошей моделью для изучения изменений в клетках под влия­нием ультразвука являются светящиеся бактерии. Их особая фермен­тативная система преобразует энергию окислительных реакций в электромагнитное излучение видимого диапазона (биолюминесцен­ция), пропорциональное интенсивности метаболизма. Кинетику про­цессов, происходящих в клетке, можно оценивать на расстоянии по их свечению без вмешательства в жизнедеятельность объекта и с быстро­действием регистрации, скорость которой заведомо превышает ско­рость любого биологического процесса. Для регистрации свечения су­ществуют чувствительные, быстродействующие и сравнительно про­стые приборы и методы.

В интервале 0,05...0,4 Вт/см2 (0,88 МГц) биолюминесценция фотобактерий и стимулированная ультразвуком скорость их роста пропор­циональны интенсивности ультразвука, но яркость свечения нарастает быстрее, чем количество клеток и единице объема. При интенсивности ультразвука, превышающей 0,6 В г/см2, наблюдается необратимое по­давление люминесценции, сила которого увеличивается с повышением интенсивности ультразвука, хотя скорость роста бактерий при повыше­нии интенсивности вплоть до 1,5 Вт/см2 меняется несущественно. В интервале 0,4...0,6 Вт/см2 видимых изменений в свечении бактерий не наблюдается. Очевидно, при этих интенсивностях эффекты подавле­ния и стимуляции биолюминесценции оказываются равными.

Следует отметить, что реакция фотобактерий на ультразвук мо­жет заметно меняться в зависимости от их возраста, исходного состоя­ния, наличия в среде тех или иных составляющих и т. д.

Отличия в чувствительности различных клеток к ультразвуково­му воздействию связаны с их морфологическими особенностями и функциональным состоянием.

В первую очередь, резистентность клеток к ультразвуку определя­ется структурой их оболочки, в наибольшей степени подверженной влиянию факторов, действующих в ультразвуковом поле. В непосред­ственной близости от клеточных мембран как внутри, так и вне клет­ки, наблюдаются периодические механические воздействия и энер­гичные акустические микропотоки. Напряжения сдвига под влиянием этих микропотоков могут достигать весьма больших величин (102.103 Н/м2), днако уже 10 Н/м2 (5...60 мин воздействия) оказыва­ется достаточно, чтобы уменьшить время жизни эритроцитов и повы­сить их чувствительность к осмотическому лизису, увеличить прони­цаемость цитоплазматических мембран и изменить их поверхностную энзиматическую активность, понизить поверхностный заряд и увели­чить скорость оседания эритроцитов в поле гравитационных сил.

Переменные напряжения в акустическом поле, расшатывающие структуру клеточной мембраны, и микропотоки, «смывающие» мак­ромолекулы с поверхности клеток, приводят к повышению межфазно­го натяжения на границе мембрана - среда.

Стремление энергии Гиббса системы к минимуму обусловливает дополнительные напряжения в мембране, приводящие к уменьшению поверхности клетки и снижению се поверхностной энергии. Это повы­шение напряжения приводит, например, к изменению формы клеток Не La при кратковременном ультразвуковом воздействии (1 Вт/см2; 0,8 МГц; 1 мин), незначительной деформации эритроцитов в сходных условиях и т.д. Оно сохраняется, пока поверхностная энергия не уменьшится до исходных значений в результате адсорбции белка и дру­гих поверхностно-активных веществ из окружающей среды.

Десорбция с поверхности клеток под действием ультразвука некавитационных интеисивностей (0,05..0,3 Вт/см2; 1 МГц; 5...60 мин) мо­лекул белков, гликопротеинов и, возможно, других биополимеров подтверждается изменениями энзиматической активности поверхно­сти эритроцитов, потерей эритроцитами, лимфоцитами и соматиче­скими клетками человека антигенов, связанных с их мембранами, по­вышением адгезивных свойств клеток, появлением в супернатанте за­метных количеств гликопротеидов.

В результате ультразвукового облучения (0,05 Вт/см2; 0,88 МГц) суспензии эритроцитов (17000 кл./мм3) в физиологическом растворе в первую же минусу с поверхности каждой клетки десорбируется при­мерно 2 • 10-14г вещества белковой природы (для сравнения: масса

эритроцита - 10 -10г). Как видно из рис. 3.5, дальнейшее облучение не приводит к повышению в среде концентрации десорбированного вещества, по-видимому, благодаря достижению равновесия десорб­ция - резорбция. После прекраще­ния ультразвукового облучения «смытые» макромолекулы быстро сорбируются на поверхности кле­ток, и через несколько минут иден­тифицировать белок в среде спектрофотометрически не удастся.

Поверхность клетки покрыта слоем фибриллярного белка, к ко­торому, как правило, прикрепляют­ся белковые глобулы, мукополисахариды и другие биомакромолеку­лы. Благодаря белковому покрытию межфазное натяжение между клеточной мембраной и окружающей средой составляет всего (0,1...2) • 10-3Дж/м2. Белковые молекулы, способные взаимодейст­вовать и с липидами мембран, и с окружающей средой, ведут себя как поверхностно-активные вещества.

Межфазное натяжение на границе липид-вода составляет около 30 • 10-3 Дж/м2, и молекулы белка, обладая поверхностной актив­ностью, стремятся адсорбироваться на этой поверхности, снизить межфазное натяжение, а следовательно, и свободную энергию поверхности.

Если клеточные мембраны после ультразвукового воздействия сохра­нили свою структурную целостность, то их функциональные характери­стики восстанавливаются в течение 10...60 мин. Это восстановление, по-видимому, обеспечивается как функционированием специфических репаративных механизмов, так и процессами резорбции на поверхности мембраны белковых молекул, «смытых» микропотоками. Для заметною снижения межфазного натяжения на поверхности раздела между слоем липидов и белковым раствором должно адсорбироваться довольно много белка, поскольку его поверхностная активность невелика.

Рис. 3.5. Зависимость количества десорбироваиного с поверхности эритроцитов вещества белковой природы (поглощение надосадочной жидкости при 280 им) от времени воздействия ультразвуком (0,1 Вт/см2)

О низкой поверхностной активности биомакромолекул свиде­тельствует известный факт: статическое (установившееся) поверхно­стное натяжение плазмы крови, содержащей 7...8 % белка, на границе с воздухом всего лишь на 20...25 H/м ниже, чем у воды. Время форми­рования межфазной поверхности может составить десятки минут, так как коэффициент диффузии крупных белковых молекул в водных растворах относительно мал, что существенно ограничивает скорость их сближения с поверхностью.

Если измерить поверхностное натяжение раствора белка на об­новляющейся поверхности, например, в потоке или на поверхности капли, формирующейся на конце пипетки, то значение этого дина­мического поверхностного натяжения практически не будет отли­чаться от значений, характерных для поды. Присутствие в среде микропузырьков газа резонансных размеров значительно увеличи­вает эффективность ультразвукового воздействия на клеточную по­верхность.

В модельном эксперименте вблизи погруженной в воду гидрофоб­ной мембраны с порами диаметром 3,2 мкм, в которых стабилизированы газовые пузырьки, необратимая агрегация тромбоцитов наблюдается под действием ультразвука (1 МГц) с интенсивностью 32 мВт/см2. Если ин­тенсивность не превышает 30 мВт/см2, агрегация обратима.

Эффект обусловлен микропотоками вблизи тромбоцитов, очень чувствительных к сдвиговым усилиям. Тромбоциты начинают агреги­ровать, если напряжение сдвига достигает всего 5 Н/м2.

В этих же условиях из эритроцитов высвобождается АТФ, что можно фиксировать но свечению люциферин-люциферазного ком­плекса, добавленного в суспензию. Порог этого явления также лежит в области 20...30 мВт/см2. В отсутствии пузырьков газа или при более низких интенсивностях ультразвука эффекты не наблюдаются.

Значительно слабее действует ультразвук на двухслойные липидные мембраны, лишенные белкового покрытия. Долго не удавалось обнаружить изменений в электроемкости, проводимости или разно­сти потенциалов искусственной мембраны, облучаемой ультразвуком с частотой 1 МГц и интенсивностью в интервале 0,1...4 Вт/см2. Более высокие интенсивности ультразвука приводят к фрагментации мем­бран. Однако ультразвук (0,6 Вт/см2; 0,88 МГц) в определенных усло­виях значительно - на 60... 100 % - увеличива­ет электропроводность двухслойных липидных мембран и их проницаемость по отношению к ряду ионов, а также ускоряет встраивание каналообразующего антибиотика нистатина в матрицу мембран, что может быть обусловлено как изменениями механических свойств матрицы, так и нарушениями в приле­гающих к пей диффузионных слоях.

Рис. 3.6. Клетка ацетабулярии

Изменения электрофизических свойств клеточных мембран, вызванные ультразвуко­вым воздействием, весьма удобно исследовать, используя одноклеточный организм - ацетабулярию средиземноморскую.

Клетки ацетабулярии (рис. 3.6) длиной до 5 см и диаметром 0,3... ..,0,5 мм покрыты прочной оболочкой, толщина которой достигает 30 мкм. Более 90 % объема клетки занимает вакуоль. Протоплазма, рас­положенная между вакуолью и оболочкой, имеет толщину 10...12 мкм.

Потенциал покоя ацетабулярии - максимальная разность электри­ческих потенциалов между вакуолью в внешней средой - составля­ет 170 мВ, Потенциал покоя обусловлен функционированием насоса Cl-ионов с равновесным калиевым потенциалом, составляющим 90 мВ. Внешние раздражители приводят к изменению потенциала покоя. Раз­ность потенциалов устанавливается при этом на уровне 80 мВ и не меня­ется в течение действия внешнею фактора.

Однако ацетабулярии, как и многие другие клетки, способна к ино­му типу реакции на внешнее воздействие - генерации волны электри­ческого возбуждения (потенциала действия). Отличительной особен­ностью потенциалов действия ацетабулярии является их большая дли­тельность, достигающая нескольких минут, что существенно облегчает изучение процесса возбуждения. Амплитуда потенциала действия в среднем равна 110 мВ.

Специальная приставка к микроскопу (рис. 3.7) позволяет контро­лировать введение микроэлектродов и наблюдать за явлениями в клетке в процессе ультразвукового облучения.

Рис. 3,7. Приставка к микроскопу для изучения реакции изолированной клетки на ультразвуковое

воздействие:

1 - акустический преобразователь; 2 - поглотитель ультра­звука; 3 - кольцевая осветительная арматура; 4 - спетоне­проницаемый кожух; 5 - лампочки накаливания; 6 термо­статирующая рубашка; 7 корпус из светонепроницаемого материала; 8 - полость, заполненная жидкостью, рассеиваю­щей свет; 9 - покровное стекло; 10 - исследуемый объект; 11 – объектив микроскопа; 12 – микроэлектрод

Наиболее характерная реакция клеток на ультразвуковое воздейст­вие (0.2...5 Вт/см2; 0,9 МГц; 5...30 с) - возникновение вызванного потен­циала действия. Его появление но­сит пороговой характер, зависит от интенсивности и длительности ульт­развукового облучения (рис. 3.8), а величина на 5...20мВ превышает спонтанный потенциал действия. Ти­пичная кривая изменения мембран­ного потенциала ацетабулярии при­ведена па рис. 3.9.

Потенциал действия не возни­кает, если первичная деполяриза­ция не достигает некоторой крити­ческой величины (15...33 мВ). Исходя из этого, можно объяснить су­ществование порогов ультразвуковых воздействий.

Рис. 3.9. Типичный потенциал действия ацетабулярии в ответ на ультразвук интенсивностью 0,5... 1 Вт/см2 и длительностью 1...5 мин (стрелками указаны мо­менты включения и выключения ультразвука)

Вследствие деполяризации мембран под действием ультразвука пороговой интенсивности достигается критическая величина деполя­ризации, после чего генерируется потенциал действия. При интенсивностях выше пороговых потенциал действия возникает через 2…5 с после включения ультразвука. В области интенсивностей ультразвука, близких к пороговым (а также при малой индивидуальной чувствительности клетки), длительность латентного периода мо­жет достигать нескольких минут. Ультразвук подпороговых интенсивностей (0f2 Вт/см2) не вызывает возбуждения клеток.

Рис. 3,8. Пороговая кривая, характеризующая зависимость возникновения биоэлектрической реакции клеток ацетабулярии от интенсив­ности и длительности ультразвуко­вого воздействия: о - отсутствие реакции; • - наличие реакции

Иногда наблюдается деполяриза­ция на 5... 10 мВ, которая исчезает в течение нескольких минут после вы­ключения ультразвука. Этот факт, а также индивидуальные различия в величине порогов чувствительности к ультразвуковому воздействию сви­детельствуют о существовании регуляторных механизмов, способных до известной степени компенсировать изменения в клетке, обусловленные действием внешних факторов.

Визуальные наблюдения за клеткой но время ультразвукового воз­действия позволяют обнаружить активизацию движения цитоплазмы. Этот эффект наблюдается и при воздействии другими раздражителями (локальные повышение или понижение температуры, введение микроэлектродов и т. д.) и, по-видимому, является результатом неспецифкческсой реакции клетки на внешнее воздействие.

При относительно высоких интенсивностях ультразвука (0,6..1 Вт/см2) наблюдается значительная деполяризация клеточных мембран. После выключения ультразвука потенциал через 2...5 мин устанавливается на уровне 90 мВ. Этот уровень регистрируется 25...40 мин, после чего потенциал возвращается к исходным значени­ям (потенциал покоя), Пo-видимому, ультразвуковое воздействие с интенсивностью, превышающей 0,6 Вт/см2, не только нарушает диф­фузионное равновесие на мембране, но и ингибирует активный транс­порт ионов Сl-. После выключения ультразвука диффузионное равно­весие восстанавливается в течение нескольких минут, и лишь значи­тельно позже начинает функционировать активный транспорт.

Увеличение интенсивности ультразвука до 1 Вт/см2 (3...5 мин) вызывает структурные нарушения - разрывы и контрактуру цито­плазмы, появление пузырьков, перемешивание клеточного содержи­мого. Однако пи при этих, ни при более высоких интенсивностях ультразвука (до 2 Вт/см2) не отмечалось разрушения клеток. Высокая механическая прочность ацетабулярии, очевидно, обусловлена боль­шой (до 30 мкм) толщиной ее клеточной стенки.

По-видимому наиболее известное явление, связанное с деполяри­зацией клеточных мембран, - это изменение их проницаемости. Зако­номерное увеличение проницаемости под действием ультразвука хо­рошо проявляется в клетках в суспензии - эритроцитах, лейкоцитах, клетках дрожжей и пр.

Исследования, проведенные на суспензии эритроцитов в физио­логическом растворе, показали, что ультразвук существенно увеличи­вает скорость диффузии глюкозы и сахарозы в клетки из богатой сахарами среды.

Концентрация углеводов в среде, содержащей эритроциты, прак­тически не меняется в течение 4 ч при 20 °С. Воздействие ультразву­ком (0,1 Вт/см2; 0,9 МГц; 20 мин) приводит к заметному уменьшению концентрации Сахаров и среде. После выключения ультразвука угле­воды частично выводятся из эритроцитов (рис. 3.10).

Рис. ЗЛО, Влияние ультразвука (0,1 Вт/см2) на скорость погло­щения эритроцитами глюкозы (1,2) и сахарозы (3,4) из раствора: 1/3 - контроль; 2, 4 - опыт (стрел­ками указаны моменты включения и выключения ультразвука)

Скорость выхода ионов калия из эритроцитов вдвое возрастает при увеличении интенсивности ультразвука от 0,2 до 0,6 Вт/см2 (0,9 МГц). Эффект при кратковременном воздействии (3...5 мин) обратим, так как работа Na+-K1 насоса, функционирующего за счет энергии АTФ, восста­навливает исходную концентрацию ионов K+ в клетке после превраще­ния ультразвукового воздействия. Если активность АТФ-азы подавить,например, уабаином, то скорость выхода ионов К+ увеличится на 5... 10 %, а исходная концентрация в клетках после выключения ультра­звука не восстанавливается. Дли­тельное, в течение 30 мин, воздейст­вие ультразвуком снижает актив­ность Nа+-К+-АТФ-азы мембран эритроцитов в 2-8 раз, пропорционально увеличению интенсивности ультразвука от 0,2 до 0,6 Вт/см2.

Увеличение потока ионов K+ из клетки вовне в результате об­легчения пассивной диффузии и уменьшения переноса этих ионов против градиента концентрации при подавлении ультразвуком ак­тивности Na+-K+-ATO-aзы приводит к существенному изменению со­става внутриклеточной среды.

Скорость переноса через биологические мембраны относительно крупных молекул практически не изменяется под действием ультразву­ка. Так, проницаемость мембран эритроцитов цыплят по отношению к меченому лейцину не испытывает достоверных изменений после 30-минутн от воздействия ультразвуком со средней интенсивностью 0,6 Вт/см2 и частотой 1 МГц, а скорость накопления меченого тимидица в этих же условиях (in vitro) даже несколько уменьшается.

Отсутствие эффекта увеличения под действием ультразвука про­ницаемости клеточных мембран по отношению к лейцину и тимидину вызывает у некоторых исследователей скептическое отношение к воз­можности увеличить проницаемость мембран и для других веществ. Тем не менее ультразвук (0,1...2 Вт/см2; 0,88 МГц; 5...60 мин) сущест­венно увеличивает чувствительность бактериальных клеток к анти­биотикам, широко используется в клинике для введения лекарств в организм сквозь неповрежденную кожу (фонофорез), в гистохимии для импрегнации нервных тканей серебром и т, д.

Изменения в свойствах клеточных мембран, подвергнутых ультра­звуковому воздействию, могут быть вызваны переменными усилиями, возникающими в жидкости при распространении ультразвуковой волны. Частицы жидкости в ультразвуковом поле колеблются относи­тельно состояния равновесия с частотой ультразвука. У поверхности благодаря силам сцепления частицы практически неподвижны, одна­ко амплитуда скорости смещения быстро увеличивается по мере удаления от поверхности. Компонента скорости, касательной к поверхно­сти на расстоянии Z от этой поверхности

  • - амплитуда скорости в объеме жидкости вдали от поверхности;
  • - круговая частота;
  • - плотность жидкости;

 - вязкость жидкости.

Скорость  достигает  при   где  имеет размер­ность длины и представляет собой толщину слоя, где скорость меняется от 0 до , Эта величина называется толщиной акустического поверхно­стного слоя.

При интенсивности ультразвука 0,1 Вт/см2 и частоте 1 МГц толщина этого слоя около 0,56 мкм, а градиент скорости  при , Переменное напряжение сдвига, обусловленное градиентом , и составляет 100 H/м2 (0,1 Вт/см2; 1 МГц). Это значение по абсолютной величине превосходит уровень, при котором разрушаются мембраны эритроцитов (60 Н/м2),

Изменяясь с удвоенной частотой ультразвука, переменные напря­жения сдвига «не успевают» обусловить механических повреждений в клеточной мембране, изменяют, однако, состояние ее поверхности: на­рушают двойной электрический слой, смещают глобулы белков, распо­ложенные на поверхности мембран, снижают диффузионные ограниче­ния и т.д. В результате изменяются мембранный потенциал (потен­циал) и проницаемость мембран, возможны также конформационные переходы в мембранных белках, ведущие к изменению их фермента­тивной активности.

Таким образом, переменные высокочастотные возмущения вбли­зи мембран могут «детектироваться» клеточной мембраной, обуслов­ливая изменения в свойствах клеток, заметные в течение весьма дли­тельного времени (до десятков минут) после прекращения ультразву­кового воздействия.

Скорость оседания эритроцитов, например, увеличивается в ре­зультате воздействия ультразвуком с интенсивностью 8 мВт/см2 (1 МГц), что, вероятно, свидетельствует об уменьшении их поверхностного заряда.

Мембранный потенциал эритроцитов крысы заметно уменьшает­ся под действием ультразвука и возвращается к исходным значениям через 15...30 мин после прекращения облучения.

Уменьшается на 5...10 % электрофоретическая подвижность кле­ток асцитной карциномы Эрлиха, подвергнутых действию ультразву­ка (0,5.,3,2 МГц; 10 Вт/см2 SPTA). Понижается электрофоретическая подвижность и лимфомы мышей (2 МГц; 10 Вт/см2 SPTA). Эффект обнаруживается только при кавитации и заметно уменьшается с по­вышением статического давления или при укорочении длительности акустического импульса, т. е. при условиях, когда возникновение кавитирующих пузырьков затруднено.

Часть клеток при облучении ультразвуком разрушается, но клет­ки, пережившие воздействие, по внешнему виду и способности к пролиферации не отличаются от контрольных, хотя их электрофоретическая подвижность возвращается к нормальным значениям лишь через 45...50 ч,

З.З.1 Действие ультразвука на внутриклеточные структуры

Реакция клетки на ультразвук не ограничивается изменениями только в ее поверхностных структурах, В клетках, помещенных в ульт­развуковое поле, возникают энергичные микропотоки, перемешиваю­щие ее содержимое, меняющие взаиморасположение клеточных органелл. Источниками таких микропотоков может оказаться пульсирую­щий газовый пузырек, если расстояние между ним и клеткой не превышает 5 • 10-2 см.

По всей вероятности, ультразвук оказывает влияние не только на жизнедеятельность клетки в целом, но и на структуру и функции от­дельных клеточных органелл.

Под влиянием ультразвука (0,2 Вт/см2; 0,88 МГц) меняются усло­вия транспорта ионов через мембрану митохондрий, наблюдается ра­зобщение свободного дыхания и фосфорилирующего окисления в них. Степень разобщения возрастает при увеличении интенсивности ультразвука от 0,05 до 1,2 Вт/см2, достигая максимума при 1 Вт/см2 (0,88 МГц; 5 мин). При 2,5 Вт/см2 (1 МГц; 5 мин) возникают наруше­ния в мембранах лизосом, что можно наблюдать на типичной картине лизиса клеток печени крыс. Аналогичный эффект наблюдается и под действием низкочастотного (20 кГц) ультразвука.

В определенных условиях ультразвук (2 Вт/см2; 0,75 МГц) может вызвать разрушение ядер в клетках Не La, не нарушая при этом целост­ности цитоплазматических мембран. Такие специфические нарушения не могут быть обусловлены кавитацией и микропотоками и предположительно объясняются возникновением резонансных волн на поверхно­сти ядерных мембран. Кроме того, ультразвук (0.5...3 Вт/см2; 0,8...2 МГц; 2... 10 мин) вызывает изменение числа гранул гликогена в клетках, нару­шение целостности эндоплазматического ретикулума, увеличение коли­чества лизосом, изменение структуры митохондрий в клетках и т. д.

Несмотря на кажущуюся простоту ситуации, в настоящее время оказывается весьма непросто выделить первичные явления в клетке, вызванные физико-химическими процессами в ультразвуковом поле.

Действительно, количество гликогена в клетке, число и активность лизосом, форма саркоплазматической сети меняются в широких пределах в процессе жизнедеятельности. Поэтому наблюдаемые под действием ультразвука изменения могут свидетельствовать только о биологической реакции клетки на внешнее неспецифическое воздей­ствие. Если ультразвуковое воздействие оказалось не летальным для клетки, то возникшие в ней изменения репарируются в течение при­мерно 100 ч. Лишь митохондриям необходимо значительно больше времени для восстановления своей структуры и функции.

3.3.2. Последействия ультразвука

на жизнедеятельность клетки

Наблюдая за клеткой после облучения ультразвуком, можно обна­ружить, что в течение достаточно длительного времени в клетке раз­виваются процессы последействия, приводящие к морфологическим и функциональным изменениям.

Некоторые из наблюдаемых процессов, например увеличение проницаемости и уменьшение мембранного потенциала под действи­ем ультразвука и последующее возвращение этих параметров к исход­ным значениям, но крайней мере, частично, обусловлены достаточно простыми физико-химическими явлениями.

Так, состояние поверхности клетки, нарушенное ультразвуковы­ми микропотоками, способными «смыть» поверхностно-активные биомакромолекулы, самопроизвольно восстановится, по меньшей ме­ре, через несколько минут.

Длительно в реальном масштабе времени и восстановление доннановского равновесия, обусловленного разделением ионов на мем­бране и нарушаемого микропотоками, увеличивающими градиенты концентрации.

Оба процесса - адсорбция поверхностно-активных веществ на клеточной мембране и восстановление равновесия Допнана контроли­руются диффузией и достаточно медленны.

Сравнивая время восстановления биологических функций кле­точных мембран со временем, характерным для формирования по­верхностей раздела в растворах, содержащих высокомолекулярные поверхностно-активные вещества, можно видеть, что эти величины совпадают в пределах порядка.

Так, электрофоретическая подвижность эритроцитов, сниженная в результате ультразвуковой обработки (0,02... 1 Вт/см2; 0,4 МГц и 0,8 МГц; 3 с.,.3 мин), восстанавливается через 3...5 мин после выключе­ния ультразвука. В течение 15...30 мин остается повышенной прони­цаемость мембран эритроцитов и лимфоцитов для молекул красителя трипанового синего.

В связи с этим необходимо отметить, что общепринятый метод оп­ределения жизнеспособных и мертвых клеток по окрашиваемости по­следних трипановым сипим или другими красителями не всегда приго­ден для клеток, подвергнутых ультразвуковому воздействию. Сразу по­сле ультразвукового облучения клетки могут легко окрашиваться из-за повышенной проницаемости мембран, по через 20...50 мин окрашивае­мых клеток оказывается примерно столько же, сколько и в контроль­ном образце, не облученном ультразвуком.

Другие процессы, развивающиеся в клетке после ультразвукового воздействия, имеют выраженный характер биологического ответа на внешнее возмущение.

Клетки тромбоцитов, например, подвергнутые ультразвуковой об­работке (1 МГц; 0,2.„0,6 Вт/см2; 5 мин), на электронных микрофото­графиях не отличаются от контрольных К функционируют как интактные. Однако через 30 мин инкубации при 22 °С в контрольных и облученных ультразвуком клетках возникают заметные функцио­нальные и морфологические различия. Время рекальцификации тромбоцитов, мало изменяющееся в процессе ультразвуковой обра­ботки (1 МГц; 0,065...2 Вт/см2, 5 мин), необратимо снижается в тече­ние 4...6 ч после облучения.

Обратимое снижение электрокинетического потенциала клеток лимфомы мышей можно наблюдать в течение 40...48 ч после ультра­звукового воздействия (2 МГц; 10 Вт/см2SPTA\ 5 мин).

Ультразвуковое воздействие на метки в суспензии или в культуре в зависимости от параметров ультразвука и условий облучения может обусловить как стимуляцию, так и подавление процессов их жизне­деятельности.

В относительно мягких условиях ультразвуковой обработки (1...5 МГц; 0,2...1 Вт/см2; 5 мин; импульсный режим) наблюдаются про­цессы стимулирования синтеза соединительного белка в клетках куль­туры фибробластов, интерферона в лейкоцитах и т.д. Увеличение ин­тенсивности ультразвука приводит к угнетению биохимических про­цессов в клетках, к уменьшению числа клеток в культуре, причем наиболее выраженное угнетение наблюдается на частоте 1 МГц.

При невысоких (терапевтических) интенсивностях ультразвука эффект стимулирования синтеза белка наблюдается и в тканях тепло­кровных.

Так, 3-4 сеанса облучения ультразвуком (3 МГц; 0,5 Вт/см2; 5 мин) вызывают в тканях уха кролика, поврежденного криохирургическим инструментом, заметное ускорение синтеза коллагена. Этот эффект ле­жит в основе ультразвуковых методов ускорения заживления ран.

Ускорение биохимических процессов в клетке приводит к повы­шению ее физиологической активности, к увеличению сопротивляе­мости внешним воздействиям.

Клетки костного мозга, облученные ультразвуком (0,8 МГц; 0,3...0,7 Вт/см2; 20 мин) и введенные контрольным животным, дают на­чало большему числу колоний на поверхности и в паренхиме селезен­ки. Колонии растут быстрее, ускоряется и дифференциация колоний.

Бродильная активность дрожжей после обработки ультразвуком (425 кГц; 0,5.,.5 ч) увеличивается па 12...15 %, а количество клеток в облученной ультразвуком (0,8 МГц; 2,5 Вт/см2; 5 мин) суспензии бы­стро увеличивается.

Обработка ультразвуком (0,9 и 2,6 МГц; 0,5...1,2 Вт/см2; 10 мин) несколько снижает число жизнеспособных клеток костного мозга в суспензии. Однако уже после нескольких суток хранения при 40С в облученных ультразвуком образцах остается значительно больше жизнеспособных клеток, чем в контрольных образцах. Время разру­шения половины клеток костного мозга в суспензии увеличивается после ультразвукового воздействия практически вдвое - с 5 до 9 дней, что позволяет при хранении уменьшить потери клеток, пригодных для трансплантации.

Увеличение интенсивности ультразвука до значений, превы­шающих 1...1.5 Вт/см2, приводит, как правило, к подавлению биологи­ческих функций клеток. Непрерывный ультразвук (1 и 2 МГц; 0,8...2,6 Вт/см2; 60 мин) подавляет скорость роста амниотических кле­ток в культуре, причем порог подавляющего действия лежит между 0,8 и 1,7 Вт/см2.

Между областями явного стимулирования и явного подавления лежит область, где наблюдается суперпозиция этих эффектов. Так, клеткам асинхронной культуры ткани китайского хомячка после ульт­развуковой обработки (1 МГц; 2,5 Вт/см2 SPTA; 1 мин) предоставили возможность роста в монослое. В первые 24 ч роста не наблюдалось. Затем обнаружился рост, и к 35-му часу скорость роста нормализова­лась. В данном случае остановка роста в первые 24 ч объясняется при­мерным равенством гибнущих и пролиферирующих клеток в среде.

Обычно клетки животных тканей в культуре хорошо переносят ультразвуковое облучение, если исключаются кавитация или нагрев. Выжившие клетки, как правило, способны к нормальному росту и раз­витию, хотя образованные ими колонии нередко не достигают разме­ров, характерных для колоний, возникших из необлученных ультра­звуком клеток.

3.3.3. Ультразвуковое воздействие на деление клеток

Временное ингибирование некоторых функций организма и отда­ление периодов наибольшей активности важнейших из них является общей реакцией организма и отдельных его систем на внешнее повре­ждающее воздействие. Особенно часто этот феномен проявляется в задержке клеточного деления в некоторых тканях в ответ на повреж­дающие, активирующие или сигнальные воздействия. Действие ульт­развука также временно уменьшает скорость деления клеток.

На клетках мерисистемы корней гороха показано, что непрерыв­ный ультразвук (2 МГц; 0,5...20 Вт/см2; 1 мин), как и импульсный сходных параметров, вызывает уменьшение скорости роста корня, уменьшение митотического индекса, снижение скорости синтеза белка, ДНК и РНК. Интересно отметить, что, в основном, эффект возникает в первые секунды облучения, а затем лишь незначительно увеличивается.

Животные ткани более чувствительны к ультразвуку, и скорость деления клеток в них уменьшается при весьма малых интенсивностях ультразвука. Так, пятиминутное облучение ультразвуком интенсивно­стью 60 мВт/см2 (1 МГц) заметно снижает митотический индекс в тканях печени крыс. Облучение ультразвуком (2 МГц; 0,1 Вт/см2; 5 мин) клеток аденокарциномы Эрлиха приводит к торможению роста опухоли, возникшей при перевивании этих меток. Патогенность облученных ультразвуком клеток карциномы имеет тенденцию к восста­новлению и во втором пассаже мало отличается от контрольных об­разцов. Снижается скорость деления и при воздействии ультразвуком на клетки в культуре фибробластов человека.

Наиболее существенна задержка в скорости деления клеток куль­туры лейкомичных мышей при действии ультразвука (1 МГц; длитель­ность импульса - 1 мс; частота следования импульсов 1 кГц; 5 Вт/см2) па «покоящуюся» клетку Задержка практически незаметна, если клет­ка находится в стадии митотического деления, хотя ее механическая прочность уменьшается, что, по-видимому обусловлено значительны­ми изменениями в структуре клетки, предшествующими ее делению. Так, фибриллярная структура митотического веретена может разру­шаться при воздействии ультразвуком относительно невысоких интенсивностей (0,8 МГц; 0,2.-0,5 Вт/см2).

В настоящее время есть очень мало данных, характеризующих чувствительность клеток к ультразвуку в разные фазы митотического цикла. Представляются бесспорными лишь факты задержки клеточ­ного деления в интерфазе и меньшей чувствительности митотическо­го индекса к ультразвуку в период митоза.

Задержка клеточного деления под влиянием различных воздействий относится не к патологическим проявлениям, а к физиологиче­ским защитным реакциям, направленным на увеличение длительно­сти интерфазы до значений, достаточных для репарации нарушений, накопившихся в клетке. Повреждения, не отрепарированные в интер­фазе, могут во время митоза проявиться в виде серьезных дефектов, приводящих клетку к гибели.

В период митоза многие функции клетки весьма напряжены, что ослабляет работу репарационных механизмов. Поэтому задержка кле­точного деления на стадии митоза не имеет биологического смысла. Внешнее воздействие именно в этот промежуток митотического цик­ла, возможно, приводит к хромосомным аберрациям и другим тяже­лым для клетки последствиям.

3.3.4. Хромосомные аберрации, индуцируемые ультразвуком

Исследование мутагенного действия ультразвука стимулирова­лось, с одной стороны, опасением, что ультразвуковая терапия может иметь отрицательные последствия (так же в свое время было с радио­активными методами лечения), а с другой - желанием получить но­вый способ направленного изменения наследственных признаков жи­вотных и растений. По-видимому, такой двойственный подход явился одной из причин большого разнообразия результатов, полученных разными исследователями. В числе других причин можно назвать ши­рокий спектр параметров использованного разными исследователями ультразвука (интенсивностей, режимов и длительности облучения), различия в природе и состоянии исследуемых объектов. Не исключе­на также вероятность методических ошибок.

Результаты, полученные разными авторами, в первом приближе­нии можно сравнить, сопоставляя дозы ультразвуковой энергии и воз­никающие при этом эффекты.

Обычно дозой называют величину D = It, где I - интенсивность ультразвука, t - время. Таким понятием дозы можно пользоваться лишь в случае, если эффект линейно зависит как от интенсивности ультразвука, так и от времени облучения, т. е. если снижение интен­сивности ультразвука можно скомпенсировать увеличением времени воздействия. Для ультразвуковых биоэффектов таким понятием мож­но пользоваться лишь в грубом приближении. На оси, изображенной на рис. 3.1.1, обозначены дозы ультразвуковой энергии. Над осью пока­зана область, где наблюдают эффекты, связанные с нарушением целостности хромосомных аберраций.

Рис. 3.11. Хромосомные аберрации при ультразву­ковом воздействии (результаты анализа многочис­ленных данных, полученных рядом исследователей)

Область под осью характеризуется отсутствием влияния ультразвука на частоту хромосомных аберра­ций. Сравнивая дозы, мы, очевидно, не учитываем возможности того, что эффект может зависеть нелинейно от интенсивности ультразвука или времени облучения. Отчасти этим, а отчасти различиями в экспе­риментальных условиях и в природе исследуемых объектов может объясняться наложение областей, где одни исследователи обнаружи­ли эффект хромосомных аберраций, а другие - нет.

Механизм возникновения аберраций в ультразвуковом поле неиз­вестен.

3.3.5. Комбинированное действие ультразвука и некоторых других физико-химических факторов на клетки

Широкое внедрение в клинику комплексных методов лечения и часто встречающиеся сочетания ультразвука с другими физическими факторами и фармакологическими средствами потребовали специ­ального изучения реакции организма в целом и клетки в частности на такие комбинированные воздействия.

Особый интерес представляет исследование последовательного и одновременного действия на клетки ионизирующего и ультразвуково­го излучений. Подобная совокупность воздействий нередко встреча­ется в диагностике и в терапии и требует пристального внимания в связи с тем, что, по крайней мере, ионизирующие излучения способны вызывать различные хромосомные аберрация.

Так, при сравнении действия рентгеновского излучения (290 Р) и ультразвука (1 МГц; 1,1 Вт/см2; 1 мин; непрерывный режим) на клет­ки меристемы корешков гороха было показано, что число микроядер в клетках увеличивается только в первом случае и никогда - во втором. Это лишний раз подтверждает мутагенную активность рентгеновско­го излучения и отсутствие этого свойства у ультразвука указанных па­раметров.

Не увеличивается число хромосомных аберраций, индуцирован­ных в клетках костного мозга мышей рентгеновским облучением (50 Р) после предварительной ультразвуковой (0,8 М Гц; 0,1 ..1 Вт/см2; 5 мин) обработки.

Несколько иная картина наблюдалась при исследовании реакции лимфоцитов на комбинированное ультразвуковое и рентгеновское (20, 50,100 Р) воздействие. Ультразвук (0,8 МГц; 3 Вт/см2; 10 мин) сущест­венно увеличивает число хромосомных нарушений, если цельная кровь, в которой находились лимфоциты, сначала подвергалась радио­активному, а затем (через 5 мин) ультразвуковому воздействию. Если кровь сначала подвергалась действию ультразвука, а затем ионизирую­щего излучения, число хромосомных аберраций не увеличивалось. Яс­ли на клетки после рентгеновского облучения в течение часа действовать ультразвуком низкой интенсивности (2 МГц; 0,02 Вт/см2), число хромосомных нарушений заметно уменьшается по сравнению с кон­трольными образцами. Тот же ультразвук, использованный до рентге­новского облучения, заметно увеличивает (по сравнению с контроль­ным образцом) число нарушений в клеточных хромосомах.

Сообщается о высокой чувствительности к комбинированному воздействию и других клеточных характеристик. Обнаружен синер­гизм в действии ультразвука (1 МГц; 10 Вт/см2 SPTP; 5 мин) и иони­зирующих излучений (600..1000 рад) на электрофоретическую под­вижность раковых клеток. Ультразвук (0,9 МГц...0,14 Вт/см2; 10 мин) в 1,3 раза снижает дозу последующего облучения рентгеновскими лу­чами, необходимую для уничтожения 99 % клеток в культуре, способ­ных образовывать колонии. Один лишь ультразвук не влияет на этот параметр. Пострадиационное облучение ультразвуком не меняет реак­ции клеток на рентгеновские лучи.

Зависимость реакции клетки па ультразвуковое воздействие от ее состояния наглядно проявляется в опытах с клетками, метаболизм ко­торых целенаправленно изменен различными веществами или подбо­ром внешних условий. Так, выживаемость клеток Не La повышается па 22 %, если их облучать ультразвуком (0,9 МГц; 0,2 Вт/см2; 3 с) в среде, содержащей 30...35 % версена. Защитными свойствами обладает и сывороточный компонент питательной среды, обеспечивающий нормальную работу защитных механизмов клетки. Он повышает па 80% выживаемость клеток Не La и предотвращает подавление роста культуры, облученной ультразвуком.

Комбинированное действие ультразвука с различными вещества­ми удобно исследовать на клетках дрожжей.

Дрожжи - типичные сапрофиты, нашедшие широкое применение в пищевой промышленности и кормопроизводстве. Для своей жизне­деятельности они нуждаются лишь в кислороде, сахарах определенно­го типа и неорганических солях. Сахар служит источником энергии и основным исходным продуктом для синтеза белков, жиров, витами­нов и других жизненно важных органических веществ. Благодаря тол­стой клеточной стенке дрожжи весьма резистентны к ультразвуково­му воздействию и остаются жизнеспособными при достаточно интен­сивном и длительном ультразвуковом облучении. Именно поэтому они являются удобной моделью для изучения действия ультразвука на проницаемость клеточных мембран, а также на некоторые процес­сы жизнедеятельности.

Рис. З.12. Необратимое уменьше­ние фотоиндуцированного стече­ния дрожжей а суспензии под влиянием H2S (конечная концентрация 10-2моль)

Реакция клеток дрожжей на ультразвуковое воздействие отража­ется на их фотоиндуцированной хемилюминесценции, связанной с активностью обменных процессов (рис. 3.12). При облучении ульт­развуком с интенсивностью 0,4 Вт/см2 практически все клетки в сус­пензии остаются жизнеспособны­ми. Увеличение интенсивности ультразвука до 1 Вт/см2 приводит к гибели 10 % клеток.

Добавление в суспензию дицитрофенола, Na2S или Na3N, диф­фундирующих в клетку сквозь цитоплазматические мембраны и по­давляющих процессы дыхания в митохондриях, приводит к умень­шению интенсивности фотоиндуцированного свечения. Подавление, в зависимости от концентрации ингибиторов дыхания, может быть как обратимым, так и необра­тимым.

Рис. 3.13. Последовательное дейст­вие ультразвука и N2S на фотоиндуцированное свечение дрожжей в суспензии (стрелками указаны моменты включения и выключения ультразвука)

Например, Na2S в концентрации 10-2 моль приводит к необратимому уменьшению интенсивности свечения. При концентрации 10-3 моль это вещество обратимо уменьшает интенсивность свечения, восстановление которой происходит в течение 30…40 мин. Восстановление интенсивно­сти свечения до исходною уровня, очевидно, обусловлено функциони­рованием защитных механизмов клетки, соответствующим образом пе­рестраивающих ее метаболизм. Ультразвук низких интенсивностей (0,1...0,2 Вт/см2) стимулирует этот процесс в 1,5-2 раза, сокращая время восстановления.

Облучение клеток ультразвуком более высоких интенсивностей (0,4 Вт/см2) в суспензии, содержа­щей ингибиторы дыхания в малых концентрациях, приводит к значи­тельному усилению их действия. При совместном или последователь­ном воздействии ингибитором дыха­ния Na2S и ультразвуком наблюдает­ся необратимое, ступенчатое умень­шение интенсивности свечения, ес­ли время между последующими воз­действиями не превышает несколь­ких минут (рис. 3.13). Увеличение этого интервала приводит к умень­шению эффекта синергизма, а когда интервал составляет 30...40 мин и более, эффект не наблюдается вовсе.

Аналогичные результаты получены при изучении совместного дейст­вия ультразвука с динитрофенолом и Na3N. Чувствительность клеток дрожжей в суспензии к ультразвуку существенно зависит от их состоя­ния. Так, интенсивность свечения суспензии, содержащей 1 % глюкозы, понижалась в 4-6 раз при комбинированном действии Na2S (10-3 моль) и ультразвука (1 МГц; 1 Вт/см2; 10 мин). Эффект не наблюдался, если клетки находились в среде, не содержащей глюкозу.

Скорость связывания лимфоцитами 45Са++ вдвое повышается под действием ультразвука интенсивностью 0,05 Вт/см2 и продолжитель­ностью 30 с. Накопление Са++ в лимфоцитах влияет на характер им­мунного ответа лимфоцитов и, кроме того, является необходимым ус­ловием их активации. В частности, растительный митоген кон конканавалин также существенно ускоряет процесс накопления ионов Са++ в лимфоцитах. Действие конканавалина связывают с изменениями в структуре плазматических мембран, с интенсификацией обмена мем­бранных белков и жирных кислот в фосфолипидах, а также с образо­ванием кальциевых каналов, пронизывающих мембрану.

Результат комбинированного действия конканавалина и ультразву­ка (0,88 МГц; 0,05 Вт/см2; 60 с) на лимфоциты вчетверо превосходит влияние одного только митогена (30 мкг/ мл) или только ультразвука.

Повышение проницаемости клеточных мембран для ряда ве­ществ, очевидно, и объясняет увеличение эффективности лекарствен­ных веществ под действием ультразвука.

Например, ультразвук (880 кГц; 0,4 Вт/см2) существенно увели­чивает эффективность влияния нарост и интенсивность биолюминес­ценции светящихся бактерий цитотоксических лекарственных препа­ратов: цитостатина, циклофосфана и антибиотика широкого спектра действия дексорубицина, используемых для лечения злокачествен­ных новообразований.

Кокаин и кураре в низких концентрациях проявляют защитные свойства при повреждающем действии ультразвука на ткани голова­стиков. Вещества, защищающие клетки от повреждающего ультразву­кового воздействия, можно назвать сонопротекторами по аналогии с радиопротекторами, защищающими биологические объекты от иони­зирующих излучений.

3.3.6. Разрушение клеток под действием ультразвука

Рис. 3.14. Гемолиз эритроцитов в поле микропотоков вблизи заост­ренного излучателя ультразвука с частотой 20 кГц в зависимости от амплитуды колебаний инструмента

При ультразвуковой кавитации суспендированные в жидкости клетки испытывают значительные механические усилия и разруша­ются (см. §§ 1.13, 2.14). Особенно эффективен для разрушения клеток низкочастотный ультразвук. Например, вблизи колеблющегося с час­тотой 20 кГц торца ультразвукового инструмента гемолиз наблюдает­ся при амплитудах 16...20 мкм (рис. 3.14).

Регулируя условия ультразву­кового воздействия - меняя частоту, мощность и время ультразвукового воздействия, а также состав среды, - можно получать конечный продукт с заданными свойствами. Так, де­зинтеграция перевиваемой культу­ры клеток почки теленка, заражен­ной вирусом инфекционного ринотрахеита крупного рогатого скота, ультразвуком с частотой 22 кГц и амплитудой колебаний 40 мкм в те­чение трех минут позволяет полу­чать частицы с повышенной способ­ностью связывать антитела против упомянутого вируса. Эти частицы пригодны для вакцинации и изго­товления эффективных диагностикумов. Дезинтеграция тех же клеток ультразвуком с частотой 44 кГц дает возможность выделять преимуще­ственно полноценные вирусные частицы, пригодные для заражения клеток культуры тканей с целью дальнейшей наработки материала для вакцин и диагностикумов. Варьи­руя параметры ультразвукового воздействия, можно получить частицы с различным соотношением инфекционной и антигенной активности.

3.3.7. Механизмы биологического действия ультразвука

Поток молекул через клеточную мембрану описывается первым законом Фика:

где D - коэффициент диффузии;

dc/dx - градиент концентрации вещества.

В стационарных условиях dc/dx можно заменить отношением разности концентраций с11 – с1 к толщине мембраны:

где Р = D/l - коэффициент проницаемости мембраны

Для молекул, диффундирующих сквозь нее, этот коэффициент определяется толщиной мембраны и коэффициентом диффузии.

В реальных условиях слои раствора, непосредственно прилегаю­щие к мембране, практически не перемешиваются, следовательно, кон­центрация диффундирующих молекул в данных слоях может сущест­венно отличаться от концентрации аналогичных молекул в объеме. Толщина этих так называемых слоев Нернста меняется от единиц до сотен микрометров и зависит от свойств поверхности и интенсивности перемешивания раствора. Совокупность собственно мембраны с диф­фузионными слоями можно рассматривать как эффективную мембра­ну толщину которой определяют но формуле:

где  и  толщины диффузионных слоев по обе стороны от мембраны.

Поток через мембрану описывается уравнением

Здесь - обобщенный коэффициент диффузии с прилегающими слоями;

- проницаемость;

- концентрации молекул.

Под влиянием ультразвука величины  и  существенно уменьшаются в результате интенсивною перемешивания раствора микропотоками. Соответственно уменьшается  и возрастает поток веществ через мембрану

Коэффициент диффузии в среде и диффузионных слоях также может меняться под действием ультразвука, так как цитоплазма и прилегающая к поверхности клетки среда отличаются выраженной тиксотропией, и уже при интенсивности ультразвука 40 мВт/см2, ис­пользуемой в диагностике, вязкость клеточного содержимого сущест­венно уменьшается, а температура среды несколько увеличивается за счет поглощения ультразвуковой энергии (см. § 1.3). Возрастание температуры среды и уменьшение ее вязкости приведут к увеличению ко­эффициента диффузии в примембраниых слоях, что обусловит увели­чение потока молекул неэлектролитов через мембраны. Это может проиллюстрировать эффект ускорения транспорта Сахаров через мем­браны эритроцитов под действием ультразвука с интенсивностью 0,1 Вт/см2 (см. §3.2).

Путем обычной диффузии через клеточные мембраны в клетку проникают самые разные соединения. Помимо воды это незаряжен­ные молекулы многих растворимых в воде веществ, в том числе мно­гих сложных лекарственных препаратов. В то же время трансмембранный транспорт ряда жизненно важных для клетки веществ осу­ществляется специальными, присутствующими в мембранах клетки переносчиками, Такой транспорт но градиенту концентрации, не тре­бующий затраты энергии, называют облегченной диффузией.

При облегченной диффузии, так же, как и в случае простой диф­фузии, ультразвуковые микропотоки, перемешивая среду, частично снимают диффузионные ограничения и ускоряют перенос веществ. Это подтверждается ускорением поглощения эритроцитами глюкозы из инкубационной среды при облучении суспензии клеток ультразву­ком с интенсивностью 0,1Вт/см2.

При активном транспорте перенос молекул через мембрану осу­ществляется против градиента кoнценрации с затратой энергии. Дей­ствие ультразвуковых микропотоков снижает эффективность транс­портировки веществ. В этом случае поток частиц, например ионов на­трия, складывается из двух слагаемых:

где - поток ионов Na+ за счет простой диффузии;

- поток ионов Na+, активно транспортируемых через мембрану.

Очевидно, что  и  противоположно направлены и в стацио­нарных условиях равны. Под влиянием ультразвука увеличивает­ся, а  в лучшем случае не изменяется. В результате нарушается рав­новесие ионов па мембране, изменяется се потенциал.

В этих рассуждениях не учитывалось действие ультразвука на структуру самой мембраны. Между тем, ультразвуковые патоки способ­ны «смывать» с поверхности мембран биомакромолекулы (см, §§ 1.10 и 3.2). Это меняет условия экранировки зарядов на мембранах и влияет на их проницаемость и условия диффузии ионов через мембраны.

Интенсивные микропотоки способны нарушать целостность кле­точных мембран, через разрывы в которых частично или полностью вытекает содержимое клеток. Этот случай может рассматриваться как предельный случай изменения условий транспортировки веществ че­рез клеточную мембрану при ультразвуковом воздействии.

При нагревании за счет перехода энергии ультразвука в теплоту разность температур между центром клетки и ее периферией при ин­тенсивности ультразвука Вт/см2 по расчетам составляет 10-3 К, а гра­диент температур - 2...5 град/см. Следовательно, в этих условиях ока­зывается возможным изменение скоростей потоков веществ в результа­те термодиффузионного переноса как внутри клетки, гак и через клеточную мембрану.

Потенциал Дебая (вибропотенциал), возникающий в суспензиях клеток и тканях под влиянием ультразвука, используемого в терапев­тической практике, достигает 10 мВ, т. с. величин, сравнимых со зна­чениями потенциалов клеточных мембран.

При кавитации, когда интенсивность ультразвукового излучения превышает 0,3 Вг/см2, на клеточные мембраны наряду с ударными волнами, энергичными микропотоками и потенциалами Дебая, могут влиять свободные радикалы, азотная и азотистая кислоты, а также пе­рекись водорода.

Таким образом, изменение проницаемости клеточных мембран - универсальная реакция на ультразвуковое воздействие, независимо от того, какой из факторов ультразвука, действующих на клетку, прева­лирует в том или ином случае.

Нарушение состава внутриклеточной среды и микроокружения клетки не может не отразиться на скорости биохимических реакций с участием ферментов, весьма чувствительных к содержанию в среде тех или иных ионов, продуктов ферментативных реакций и некоторых других веществ.

Суммируя, можно предложить следующий механизм действия ультразвука на клетки. Физико-химические ультразвуковые эффекты в среде (механические, тепловые, электрические, химические) —> нару­шение микроокружения клеточных мембран (снижение градиентов концентраций различных веществ возле мембран, обратимая десорб­ция молекул с их поверхности, изменение мембранного потенциала, об­ратимое уменьшение вязкости внутриклеточной среды) —> изменение проницаемости клеточных мембран (ускорение диффузии, изменение эффективности активного транспорта, нарушение целостности мем­бран) —> нарушение состава внутри - и внеклеточной среды —> измене­ние скоростей ферментативных реакций в клетке (небольшая актива­ция и преимущественное подавление ферментативных реакций в клет­ках вследствие изменения оптимальных для функционирования ферментов концентраций веществ) —> развитие репаративных реакций в клетке, связанных с синтезом других веществ (синтез РНК и новых ферментов, продуцируемых клеткой для компенсации возникшего не­достатка в продуктах ферментативных реакций) —>...

Из анализа этой схемы - результата существенных упрощений - следует, что специфичным в действии ультразвука на биологические системы является изменение микроокружения клеточных мембран, приводящее к нарушению процессов переноса веществ через мембра­ны. Дальнейшая цепочка процессов может быть инициирована и дру­гими физико-химическими факторами, приводящими к аналогичным нарушениям, в частности, к увеличению проницаемости клеточных мембран.

3.4. ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА МНОГОКЛЕТОЧНЫЕ

СИСТЕМЫ

Ткани, органы и весь организм - это не просто сумма клеток, но сложная, иерархически организованная система, в которой клетка яв­ляется простейшей подсистемой, способной в определенных условиях к самостоятельному существованию.

Реакция на локальное ультразвуковое воздействие, наблюдаемая на уровне целостного организма, представляет собой результат ряда последовательных процессов.

3.4.1. Пороги биологического действия ультразвука

Возмущения, не превышающие определенной (пороговой) вели­чины, не приводят к видимым последствиям в биологической системе, потому что компенсируются специальными механизмами.

Очевидно, что во всех случаях первичная реакция биологических систем на ультразвуковое воздействие происходит на клеточном уровне.

Пороговой для биологического действия ультразвука является та­кая его интенсивность (при прочих неизменных его параметрах - час­тоте, времени и режиме воздействия) ниже которой не меняется про­ницаемость клеточных мембран, а следовательно, не начинаются регуляторные и репаративные процессы в клетках, направленные на ликвидацию последствий, вызванных указанными изменениями.

Судя по данным ряда исследователей, пороговая интенсивность не превышает 10 мВт/см2. Очевидно, что данный порог и является ис­тинным порогом биологического действия ультразвука. Оценить его проще всего по электропроводности тканей, изменения которых мож­но наблюдать при интенсивностях ультразвука более 10 мВт/см2.

В некотором интервале более высоких интенсивностей ультра­звука при относительно кратковременном воздействии (до 103 с) возникающие в клеточных мембранах нарушения, как правило, не приводят к видимым изменениям в структуре и функционировании клеток и тканей. Это обусловлено развитием регуляционных про­цессов, компенсирующих последствия повышения проницаемости мембран непосредственно во время ультразвукового облучения. Верхняя граница интервала интенсивностей, превышение которой приводит к появлению не репарируемых при ультразвуковом воз­действии изменений, может быть принята в качестве еще одного, регистрируемого, порога биологического действия ультразвука, Этот порог соответствует такому значению интенсивности ультра­звука, выше которого могут наблюдаться морфологические, электрофизические, физиологические и другие изменения в биосисте­мах, облучаемых ультразвуком в течение 1...103 с, как в процессе воздействия, так и после него.

Значение регистрируемого порога зависит от природы регистрируе­мого параметра, состояния биологической системы, длительности воз­действия, Так, небольшая деполяризация мембран клеток ацетабулярии наблюдается при интенсивности ультразвука 0,1 Вт/см2, а потенциал действия возникает при интенсивностях, превышающих 0,2 Вт/см2; ус­тойчивость к ультразвуку клеток дрожжей, находящихся в среде без глю­козы, значительно выше, чем в среде, содержащей глюкозу.

Регистрируемому порогу чаще всего соответствует интенсивность ультразвука 0,1 Вт/см2 (0,8,..2 МГц; 1...103 с). При интенсивностях, превышающих 0,1 Вт/см2, наряду с увеличением влияния микропото­ков заметную роль начинают играть и другие факторы - в основном, выделяющаяся при ультразвуковом воздействии теплота и вибропо­тенциалы, В определенном интервале интенсивностей наблюдаемые биологические эффекты, возникающие при ультразвуковом воздейст­вии, обратимы. Верхняя граница этого интервала может быть принята в качестве третьего порога. Ее превышение приводит к выраженным деструктивным изменениям, па фоне которых репаративные процес­сы в клетках невозможно обнаружить.

Все три порога достаточно условны и зависят от особенностей строения клеточных мембран, специализации клеток и состояния их репаративных систем, а также от свойств окружающей клетку среды. Какой из этих порогов принять за порог биологического действия ультразвука зависит от того, что принимается за результат действия ультразвука на биологическую систему

Если результатом считать стимулирование репаративных реак­ций клетки в результате незначительного нарушения микроокруже­ния клетки и увеличения проницаемости ее мембран, то порог биоло­гического действия ультразвука весьма мал (10 мВт/см2).

Если результатом действия ультразвука считать биологически зна­чимые эффекты - регистрируемые изменения, наблюдаемые во время и после ультразвуковой обработки, то, как следует из анализа данных научной литературы, порог примерно равен 0,1 Вт/см2, хотя величина ею и зависит от длительности облучения. Если время воздействия меньше 200 с, то для получения регистрируемою биологического эффекта требуются более высокие интенсивности ультразвука.

Полагают, что биологический эффект возникает в тканях млеко­питающих лишь в том случае, если произведение усредненной по времени и максимальной в пространстве интенсивности ультразвука I на время воздействия t превышает 50 Дж/см2. Это суждение осно­вано на предположении, что биологические ультразвуковые эффек­ты имеют, в основном, тепловую природу так как повышение температуры ткани под действием ультразвука с частотой 1 МГц составит 2..40C если выполняется условие It=50 Дж/см2 и коэффициент по­глощения ультразвука порядка 0,1 Нп/см.

Однако эта простая схема противоречит некоторым оценкам.

Так, при различных интенсивностях и времени воздействия, по при равных I • t ткани, различающиеся по коэффициенту поглощения ультразвука, нагреваются до разных значений температуры. Различ­ные условия теплоотвода из облучаемой области ввиду разницы в ко­личестве кровеносных сосудов, скорости кровотока и теплопроводно­сти тканей также определяют различную степень нагревания тканей при равной подводимой энергии. Поэтому один лишь тепловой меха­низм не объясняет существования пороговых условий;

Коэффициент поглощения ультразвука прямо пропорционален час­тоте ультразвука и существенно изменяется в диапазоне 0,5... 1,5 МГц, Между тем, пороговые условия не учитывают зависимость эффекта от частоты, что также противоречит предположению о тепловой природе ультразвукового повреждения. Кроме того, биологические эффекты, обусловленные ультразвуком, как правило, не удается имитировать теп­ловым воздействием. Противоречат этому и многие экспериментальные данные. Так, облучение мышей ультразвуком (0,93 МГц; 5 мин) на 15-й день беременности увеличивает предродовую смертность эмбрионов. Послеродовая смертность не наблюдается, хотя четко прослеживаются нервно-мышечные нарушения, Интенсивность ультразвука, при которой возникают эти нарушения, не превышает 10 мВт/см2.

Импульсный ультразвук с интенсивностью в импульсе 10 Вт/см2 (2 МГц) вызывает гибель личинок дрозофилы, хотя средняя по време­ни и пространству интенсивность не превышает 3 мВт/см2, что, на пер­вый взгляд, гарантирует отсутствие биологических эффектов. Разнооб­разие эффектов, обнаруживаемых при низких интенсивностях ультра­звука, позволяет предположить, что интенсивности 10 мВт/см2 еще далеки от пороговых. Однако кратковременное применение ультразву­ка низкой интенсивности для диагностических целей, видимо, не вызы­вает заметных последствий. К этому выводу пришла специальная ко­миссия, изучившая экспериментальные данные, полученные на живот­ных, и результаты наблюдений за детьми и их матерями, которые во время беременности исследовались с помощью ультразвуковых диагно­стических методов.

Кажущееся противоречие - отсутствие биологического эффекта при кратковременном воздействии и явные нарушения при длительном дей­ствии ультразвука тех же и даже меньших интенсивностей - становится понятным, если предположить, что в одном случае репарационные меха­низмы успевают справиться со скрытыми нарушениями, а в другом воз­действие приводит к перенапряжению репарационных систем.

Если результатом биологического действия ультразвука считать деструктивные изменения, то порог ультразвукового действия совпа­дает с порогом кавитации в среде или с такими параметрами ультра­звука, которые обеспечивают повышение температуры до 43..,45°С. Этот порог широко варьируется в зависимости от факторов, влияю­щих на порог кавитации в среде (величины облучаемого ультразвуком объема, вязкости среды, ее гетерогенности и т. д.), или условий теплообмена в облучаемой ультразвуком области.

3.4.2. Ультразвуковые эффекты в мягких тканях

Ультразвук, используемый в терапевтических целях (0,7..,3 МГц; 0,1 ...2 Вт/см2; 3...10 мин), вызывает в тканях организма разнообразные изменения.

При относительно низких интенсивностях, лишь ненамного превы­шающих пороги чувствительности к ультразвуку для конкретных тка­ней, наблюдается ускорение обменных процессов и стимулирование за­щитных механизмов. Так, ультразвук (1 MГц; 0,1 Вт/см2; 5 мин), исполь­зуемый 3 раза в неделю, ускоряет процесс регенерации ткани уха кролика после хирургического вмешательства. Параллельно в регенери­рующей ткани ускоряется процесс связывания, например, меченого тимидина. Обмен катехоламинов в организме также заметно возрастает.

При этих же параметрах ультразвук влияет на различные биохими­ческие процессы в организме. Ультразвук (1 МГц; 0,2 Вт/см2; 5... 10 мин) вызывает изменения окислительно-восстановительного потенциала тканей, уменьшение содержания аскорбиновой кислоты, ускорение биосинтеза порфиринов и тиронинов, увеличение содержания нуклеи­новых кислот в тканях, изменение активности ферментов, заметные из­менения содержания макроэргических соединений - АТФ, фосфокреа­тина, гликогена, а также микро- и макроэлементов.

Более высокие интенсивности ультразвука (0,3 Вт/см2) приводят к нарушениям структуры и ультраструктуры облучаемых тканей.

Особое внимание уделено исследователями изменению электро­физических свойств кожных покровов под действием ультразвука. Та­кое внимание обусловлено практической необходимостью изучить механизмы фонофореза лекарственных веществ через кожу и, по воз­можности, оптимизировать этот процесс.

Исследования показали, что под влиянием ультразвука (0,9 МГц; 0,1...2 Вт/см2; 5...15 мин) повышается проницаемость как изолирован­ной кожи, так и кожи в составе организма. В последнем случае эффект значительно выше и зависит от интенсивности ультразвука и природы исследуемых веществ.

Наиболее эффективен ультразвук для увеличения проницаемости покровных тканей по отношению к ионам Na, К, Li, Сl, Вr и пр. По от­ношению к сложным ионам и высокомолекулярным соединениям эф­фект значительно ниже. Однако во всех случаях проницаемость кожи увеличивается с увеличением интенсивности ультразвука до 1 Вт/см2, При более высоких интенсивностях ультразвук заметно повышает проницаемость кожи для Na, К, Са, Сl, практически не влияя на ско­рость переноса ионов сложной структуры.

Полученные эффекты связывают с изменением морфологических особенностей кожного покрова, вызванным ультразвуковым облучени­ем, и отмечают разрыхление эпидермиса, увеличение количества актив­ных потовых и сальных желез, а также увеличение диаметра выводных протоков кожных желез в 2-4 раза. Данные многих авторов, в основ­ном, совпадают с приведенными выше, однако имеются сведения, что предварительное облучение ультразвуком (0,8 МГц) в интервале интенсивностей 0,2... 1 Вт/см2 понижает скорость электрофореза адрена­лина и ацетилхолина через неповрежденную кожу тогда как ультразвук более высоких интенсивностей повышает ее. Ультразвук (0,8 МГц; 0,2... 1 Вт/см2) обратимо ускоряет как пассивный, так и активный транс­порт ионов Na, К, Са через кожу лягушки. Пороги эффекта лежат в об­ласти 0,2 Вт/см2, Однако если ускорение пассивного транспорта начи­нается сразу после включения ультразвука, изменения в скорости ак­тивного транспорта фиксируются только через 3...4 мин.

Наряду с проницаемостью изменяются и электрические свойст­ва кожи.

Уже при интенсивности ультразвука 0,2 Вт/см2 (0,9 МГц) регист­рируют относительные изменения трансмембранного потенциала изо­лированной кожи лягушки. С увеличением интенсивности ультразву­ка эта величина возрастает с 0,01 до 0,4 при интенсивности 1 Вт/см2. При интенсивностях менее 2 Вт/см2 потенциал кожи снижается после включения ультразвука, а затем восстанавливается до исходных зна­чений. При более высоких значениях интенсивности вторая фаза от­сутствует, что свидетельствует о необратимых изменениях в коже. Модулирование ультразвука усиливает эффект на 15…20 % при часто­тах модуляции 10...20 и 200 Гц.

Если в среду, омывающую кожу, добавлен цианистый калий, пре­кращающий обмен веществ, то никакого изменения потенциалов под действием ультразвука не происходит.

Фокусированный ультразвук (1 М Гц, 1...100 Вт/см2) в условиях хо­рошего теплообмена и отсутствия кавитации вызывает обратимое уменьшение потенциала изолированной кожи лягушки и пропорцио­нальное интенсивности ультразвука возрастание тока короткою замы­кания. С увеличением длительности облучения ток короткого замыка­ния постоянно увеличивается, в то время как изменения мембранного потенциала приходятся на первые 0,5 с облучения и в дальнейшем остаются на новом стационарном уровне.

Совокупность приведенных данных свидетельствует о существен­ной роли клеточных мембран в формировании эффекта изменения электрических свойств тканей в ответ на ультразвуковое воздействие.

Исследование реакции других животных и растительных тканей па ультразвуковое воздействие лишь подтверждает это. Особенно на­глядно способность ультразвука изменять проницаемость клеточных мембран проявляется в ткани клубня картофеля.

Ткань клубня картофеля - удобная модель для исследований. Она имеет биологическую природу и клеточное строение, а отсутствие рефлекторных и сосудистых реакций существенно упрощает наблю­даемую картину. В клетках клубня картофеля содержится крахмал, который можно использовать как естественный внутриклеточный ин­дикатор на йод. Однако при исследовании ионной проницаемости в клетку могут попасть лишь ионы йода, не дающие в комплексе с крах­малом характерной сине-фиолетовой окраски. Окрашивание наступа­ет при «проявлении» образцов в 1...2%-ном растворе перекиси водо­рода. Механизм проявления сводится к тому, что ионы йода, окисля­ясь, переходят в атомарный йод, который при взаимодействии с крахмалом, находящимся в пластидах внутри клеток, даст характер­ную сине-фиолетовую окраску.

Использование ткани клубня картофеля позволяет определить не­которые закономерности процессов фонофореза ионов йода в ткань, а также исследовать различия между процессами электро- и фонофореза.

Рис. 3.15. Процессы:

а - фонофореза аионов йода и ткань клубня картофеля (1 -термостатируемая кювета; 2 - образец; 3 - раствор йодистого калия); 6 - электрофореза (1 электроды; 2 - образец; прокладка, смоченная

раствором йодистого калия)

Для исследования образцы диаметром 20 мм и высотой 15 мм из клубня картофеля помещали в кювету, дном которой служил излуча­тель ультразвука (рис. 3.15, а). Специальная подставка обеспечивала постоянное расстояние между поверхностью излучателя и образцом, В кювету заливали 0,5 моль раствор Кl так, чтобы только нижний край образца оказался в контакте с раствором.

После облучения образца ульт­развуком (0,88 МГц; 0,1.-2 Вт/см2) его обмывали водой, разрезали по­водам вдоль оси цилиндра и плос­костью осевого среза помещали на несколько секунд в слабый раствор перекиси водорода. При взаимо­действии с Н2О2 ионы йода окисля­ются и окрашивают образец.

Для электрофореза (рис. З.15, 6) такой же цилиндрический образец помещали между двумя плоскими электродами. Между катодом и об­разцом -помещали пористую прокладку, пропитанную 0,5 моль рас­твором KI. Электрофорез проводили постоянным током 25 мА.

Глубина, на которую проникают ионы йода в ткань под действием ультразвука (0,88 МГц), пропорциональна интенсивности ультразвука и времени облучения (рис. 3.16).

Пороговые интенсивности ультразвука, при которых начинает увеличиваться проницаемость клеточных мембран ткани клубня кар­тофеля, были определены экстраполяцией экспериментальных зави­симостей и оказались равными 0,3…0,4 Вт/см2 независимо от времени облучения образцов.

Повышение температуры образцов до 45 °С лишь незначительно влияет на скорость фонофореза, хотя при более высоких температурах эффект заметно возрастает. Следовательно, по крайней мере в интер­вале температур 20...45°С проницаемость клеточных мембран увели­чивается не в результате теплового эффекта ультразвука. По-видимо­му, в тканях, так же, как и в суспензиях клеток, эффект повышения проницаемости клеточных мембран обусловлен, в основном, акусти­ческими потоками.

Рис. 3.16. Зависимость глубины фонофореза ионов йода в ткань клубня картофеля от времени облучения и интенсивности ультразвука;

1,3,5,7,9 время облучения (мин) каждого образца

Для сравнения эффектов электрофореза и фонофореза и цилинд­рические образцы, вырезанные из клубня картофеля, в течение 20 мин электрофоретически вводились ионы йода. Затем образцы ополаски­вали и разрезали на две части по оси цилиндра и одну половину облу­чали ультразвуком (0,6 Вт/см2; 5 мин). После этого обе половинки бы­ли «проявлены» в растворе перекиси водорода. Оказалось, что в той половинке (контрольной), в которую ионы йода были введены электрофоретически, окрасился в характерный сине-фиолетовый цвет лишь тонкий поверхностный слой, где клетки ткани были разрушены механически при подготовке образца; вторая же половинка, дополни­тельно подвергнутая ультразвуковому воздействию, изменила окра­ску во всем объеме.

Следовательно, при электрофорезе йод проникает в глубь ткани, но в клетки не попадает, так как сопротивление межклеточной жидкости постоянному току значительно ниже, чем сопротивление клеточных мембран. При следующей после электрофореза ультразвуковой обра­ботке ткани проницаемость клеточных мембран увеличивается, и крах­мал, находящийся в пластидах внутри клеток, оказывается доступным для ионов йода. Если образец предварительно обработать ультразву­ком, а затем провести электрофорез ионов йода, то после проявления весь он окажется окрашенным.

Изменения в проницаемости клеточных мембран носят обрати­мый характер, если интенсивность ультразвука, обусловившего эти изменения, не превышает 0,8..1,2 Вт/см2- Повышенная проницае­мость клеточных мембран сохраняется в течение 1,5...2 ч после воздей­ствия ультразвуком. Проницаемость весьма значительна в течение первых 20 мин, а затем довольно быстро убывает.

Анализ приведенных данных свидетельствует о том, что при элек­трофорезе ионы глубоко проникают в ткань, но остаются в межклеточ­ной среде и не погадают в клетки; при фонофорезе ионы проникают в ткань на меньшую глубину, но легко проникают внутрь клеток через цитоплазматическую мембрану, проницаемость которой повышена ультра­звуком. При этом следует иметь в виду, что даже при 0,1...0,4 Вт/см2 про­ницаемость клеточных мембран в тканях животных заметно увеличива­ется, а дальнейшее повышение интенсивности может обусловить такие эффекты, как перегрев тканей или кавитацию.

Эти данные представляются весьма важными при выборе метода введения лекарственного вещества сквозь неповрежденную кожу. Очевидно, при необходимости повысить локальную концентрацию лекарственного вещества в ткани, например, при терапии опухолевых заболеваний, предпочтительнее метод фонофореза и его сочетание с электрофорезом. Если же необходимо ввести вещество в ткань более диффузно, то в этом случае эффективнее электрофорез.

Приведенные результаты послужили основанием для оптимизации фонофореза гидрокортизона при болезнях суставов. Оказалось, что сни­жение интенсивности ультразвука с используемых обычно 0,8 Вт/см2 до 0,2…0,4 Вт/см2 в непрерывном режиме и до 0,2.. 0,З Вт/см2 в импульсном режиме воздействия (0,88 МГц; 3..5 мин) ускоряет выздоровление при суставной патологии и способствует нормализации цитологических и биохимических показателей синовии. Гидрокортизон при этом депони­руется в синовиальной жидкости. Такой же клинический эффект полу­чен при фонофорезе гидрокортизона ультразвуком низких интенсивностей (0,2…0,5 Вт/см2) при пролифератах, десмоидитах, тендинитах и фиброзных периартритах у собак, крупного рогатого скота и лошадей.

Если патологический процесс локализован, а влиянию лекарст­венного вещества подвергается организм целиком, то это не всегда са­мый лучший способ лечения. Нередки случаи, когда концентрация ле­карственных веществ оказывается повышенной вовсе не там, где это необходимо. Скорость транспортировки и концентрирования лекар­ственных веществ в очаги поражения часто лимитируется не током крови или диффузией в межклеточной жидкости, но пониженной проницаемостью клеточных мембран в очаге поражения по отноше­нию к тем или иным веществам. Клетки занимают в мягких тканях не менее 0,9 всего объема, поэтому доступной для веществ, не проникаю­щих через клеточные мембраны, оказывается лишь 0,1 всего объема или меньше. При электрофорезе некоторые вводимые вещества ока­зываются преимущественно в межклеточном пространстве. Это хоро­шо видно на примере ионов йода в ткани клубня картофеля.

Ультразвук, увеличивая проницаемость клеточных мембран, увели­чивает объем, доступный вводимому лекарственному веществу, и спо­собствует увеличению его концентрации и единице объема облучаемой ткани. Это наглядно проявляется при использовании фокусированного ультразвука (2,8 МГц; 50 Вт/см2; 1 с). На образцах клубней окрашива­ется только область, подвергнутая действию ультразвука, а мембраны клеток, расположенных в непосредственной близости к фокальной об­ласти, не испытывают заметных изменений. Размеры окрашенной об­ласти можно менять, варьируя интенсивность и время облучения.

Аналогичным способом можно концентрировать и некоторые хи­мико-терапевтические препараты в тканях животных. Так, если в краевую вену уха кролика ввести краситель метиленовый синий, а ушную раковину того же или другого уха облучить ультразвуком (0,9 МГц; 0Д..2 Вт/см2; 5 мин), то через 20...30 мин в результате увели­чения клеточных мембран краситель начнет концентрироваться в облученной ультразвуком области. Она заметно потемнеет и останется более темной, чем окружающие ткани, в течение 120..150 мин.

Представляется весьма перспективным метод транспортировки водорастворимых лекарственных веществ в липосомах - микрокап­лях лекарства, покрытых слоем липидов, вводимых в кровь - с после­дующим высвобождением этих веществ из липосом в тканях, облучае­мых ультразвуком. Вещества, содержащиеся в липосомах, высвобо­дятся в тканях, прогретых ультразвуком, и попадут в клетки сквозь мембраны, проницаемость которых увеличена тем же ультразвуковым воздействием. Предполагается, что таким способом удастся увеличить локальную концентрацию лекарственных веществ до значений более высоких, чем достигнутые ранее исследователями, использовавшими для прогрева тканей микроволны.

Возможность локализации в тканях опухолей химико-терапевти­ческих препаратов с помощью ультразвуковой гипертермии недавно была доказана экспериментально. На молочных железах млекопитаю­щих, которые являются придатками кожи, специализированными для секреции молока, ультразвук (1,5 МГц; 2 Вт/см2; 10 мин) также вызы­вает увеличение проницаемости тканей. Концентрация предваритель­но введенного в кровь коз супронала быстро повышается в молоке после облучения молочной железы ультразвуком. Введенный в молоч­ную железу этих животных антипирин сразу же после ее ультразвуковой обработки обнаруживается в крови в значительно больших количествах, чем в контрольных образцах. Возможно, имен­но повышением проницаемости клеточных мембран в тканях молоч­ной железы под действием ультразвука обусловлена высокая эффек­тивность фонофореза биоактивных пчелиных продуктов (прополис) при лечении маститов.

Широко используется и терапии способность ультразвука увели­чивать проницаемость тканей глаза для различных веществ. Показа­но, что фонофоретически (0,9 МГц; 0,3 Вт/см2; 5 мин) удается ввести в камерную влагу глаза и такие вещества, которые без ультразвука туда не проникают (например, гепарин, дексазон). Однако не все вещества с одинаковой скоростью проникают в ткани под действием ультразву­ка. Скорость переноса зависит от молекулярной массы, структуры мо­лекул лекарственых веществ, их растворимости в воде и липидах, от интенсивности ультразвука, времени облучения, частоты и т. д.

В живом организме местные реакции, выражающиеся в изменениях тканевой проницаемости, могут сопровождаться реакциями на уровне всего организма. Так, ультразвук средних терапевтических интенсивностей увеличивает проницаемость стенок сосудов но всем организме по отношению к -липопротеидам крови. В тех же условиях увеличивается проницаемость стенок периферических кровеносных сосудоп по отноше­нию к трипановой сиви и нейтральному красному. Ультразвук более вы­сокой интенсивности (0,9 МГц; 2 Вт/см2; 3 мин) как в непрерывном, так и в импульсном режимах, существенно повышает проницаемость тканей сердечной мышцы лягушки по отношению к витальным красителям, а также проницаемость тематоэнцефалического барьера к полуколлоид­ным красителям. Следовательно, изменение проницаемости тканей обу­словлено не только локальным действием ультразвука, ио и общей реак­цией организма на ультразвук.

Параллельно с проницаемостью клеточных мембран под действи­ем ультразвука изменяются электропроводимость и коэффициент по­ляризации тканей, так как удельное сопротивление клеточных мем­бран обратно пропорционально их проницаемости по отношению к ионам, если ионный состав среды остается неизменным.

Можно предположить, что самопроизвольные сокращения портняж­ной мышцы лягушки, а также изменения сократительных свойств гладких и запирательных мышц теплокровных при облучении ультразвуком (0,08...2,25 Вт/см2; 1...3 МГц; 5 мин) связаны с деполяризацией клеточных мембран и подавлением биоэлектрической активности тканей.

Сопротивление биологических тканей электрическому току можно приближенно оценить, пользуясь известной формулой Велика-Горипа:

где p1, р2, р3 - сопротивление межклеточной жидкости, мембраны и внутриклеточного содержимого соответственно;

 - величина, равная отношению суммарного объема клеток к объему всей ткани;

 - геометрический фактор, для сферических клеток = 1,5

 - диаметр клетки. Поскольку для большинства мягких биологи­ческих тканей  ввиду того, что объем межклеточного простран­ства в них весьма мал по сравнению с общим объемом клеток, то урав­нение существенно упрощается и принимает следующий вид:

Очевидно, большая часть эффекта уменьшения сопротивления биологических тканей под действием ультразвука обусловлена увели­чением проводимости мембран, так как относительно небольшие ко­личества перекиси водорода, азотной и азотистой кислот, образую­щиеся в жидких средах при их обработке ультразвуком низких интен­сивностей, не могут изменить проводимость клеточного содержимого и межклеточной среды.

Рис. 3.17, Относительное измене­ние электропроводности ткани в зависимости от интенсивности от ультразвукового воздействия

Электропроводность ткани клубня картофеля увеличивается под действием ультразвука пропорцио­нально возрастанию проницаемо­сти клеточных мембран в интерва­ле интенсивностей 0,2…1 Вт/см2.

Уменьшение электросопро­тивления под действием ультра­звука наблюдается и на портняж­ной мышце лягушки. Импеданс ткани уменьшается во время ульт­развукового облучения мышцы по закону близкому к экспоненци­альному (рис. 3.17), и стремится к одному и тому же значению независимо от интенсивности ультразвука. Чем выше интенсивность, тем быстрее сопротивление ткани дос­тигает минимальных значений. Активное сопротивление ткани - ли­нейная функция интенсивности в интервале 0.2...2 Вт/см2. Импеданслинейная функция интенсивности лишь в интервале 0,2... 1 Вт/см2.

Параллельно с изменением электропроводности тканей изменяет­ся и коэффициент их поляризации:

где X10 - комплексное сопротивление ткани, измеренное на частоте 10 кГц;

Х1000 - комплексное сопротивление ткани, измеренное на частоте 1000 кГц.

Связанный со способностью клеточных мембран разделять ионы коэффициент поляризации уменьшается при ультразвуковом облуче­нии тканей, свидетельствуя о деполяризации мембран.

З.4.З. Действие ультразвука на кровь

Клетки крови в разбавленных суспензиях весьма чувствительны к ультразвуковому воздействию и начинают разрушаться при интен­сивности 0,3 Вт/см2 (SPTA), совпадающей с порогом кавитации в воде (см. §§ 1.8; 1.13). Повышение концентрации клеток в суспензии замет­но снижает скорость разрушения клеток под действием ультразвука, но, по-видимому, и в цельной крови вероятность появления пульси­рующих газовых пузырьков не равна нулю, и, следовательно, не ис­ключена возможность разрушения клеток.

Оставшиеся целыми клетки крови также мoгyт испытывать сущест­венные изменения при ультразвуковом воздействии. Так, акустические потоки, наблюдавшиеся визуально в крови полупрозрачных тропиче­ских рыб, способны смыть макромолекулы с поверхности клеточных мембран, а вибропотенциалы, которые, судя по расчетам, достигают в крови величин, сравнимых с потенциалами клеток, могут изменить их электрические характеристики. В результате изменится проницаемость клеточных мембран, что обусловит, например, высвобождение аденозиндифосфата (АДФ) из эритроцитов, а это, в свою очередь, приведет к аг­регации тромбоцитов.

Появление в кровяном русле клеток с измененными при ультра­звуковом воздействии свойствами довольно быстро отразится на функционировании систем, контролирующих состав крови, так как, разнося клетки по всему организму, кровь как бы делокализует это воздействие. Если действовать ультразвуком (0,1...1 Вт/см2; 0,88 МГц) на краевую вену уха кролика, то за 5 мин воздействию подвергнется практически вся кровь. Известно, что объем крови в организме кроли­ка массой 2,5 кг не превышает 150 см3. Сердце кролика в течение ми­нуты перекачивает 600...700 см3 крови. Следовательно, в течение вре­мени воздействия ультразвуком кровь несколько раз прокачивается через область, облучаемую ультразвуком.

Результаты такого воздействия весьма чувствительны для систем крови. Содержание гемоглобина, концентрация эритроцитов, ско­рость их оседания, вязкость и свертываемость крови заметно меняют­ся уже в процессе ультразвукового облучения. Эти изменения в пер­вом приближении пропорциональны интенсивности ультразвука. По­сле ультразвукового облучения крови исследованные параметры с течением времени возвращаются к исходным значениям. Время ре­лаксации этих параметров увеличивается пропорционально величине изменений, вызванных ультразвуком, и, очевидно, зависит от состоя­ния регулирующих систем.

При малых изменениях параметров, характеризующих кровь, они довольно быстро возвращаются к исходным значениям по закону, близкому к экспоненциальному. Если эти изменения выходят за опре­деленный предел, то наблюдается явление «перерегулирования», и исследуемый параметр возвращается к исходному уровню, совершая относительно него несколько затухающих колебаний.

Содержание гемоглобина в крови заметно меняется под влиянием ультразвука и быстрее остальных параметров возвращается к норме. Следом за содержанием гемоглобина возвращаются к исходным значе­ниям скорость свертывания крови и скорость оседания эритроцитов. Вязкость крови и концентрация эритроцитов позже всех возвращаются к норме, совершая затухающие колебания относительно исходных зна­чений, если интенсивность ультразвука превышает 0,6…1 Вт/см3. При более высоких ннтенсивностях ультразвука (1.5...3 Вт/см2) изменения в крови наблюдаются в течение многих часок и даже суток. Отмечается фазный характер изменений - лейкоцитоз сменяется лейкопенией, эозинопения переходит в эозинофилию.

Сравнительные исследования, проведенные на кроликах разных пород, показали, что, несмотря на некоторые различия, реакция всех животных на ультразвуковое воздействие, судя по изменениям в кро­ви, имеет общий характер.

Качественно сходные изменения и биохимических и гематологи­ческих показателях наблюдали и в крови мышей, подвергшихся дей­ствию ультразвука (2 МГц; Вт/см2; 200 с). Первичными, запускающи­ми процессы регуляции при ультразвуковом воздействии па кровь мо­гут быть эффекты, связанные с разрушением форменных элементов, с изменением структуры и свойств их поверхностей.

Так, сокращение времени свертывания крови, по-видимому, вызвано увеличением агрегационной способности тромбоцитов в ре­зультате выброса АДФ из эритроцитов. Обратимое уменьшение числа эритроцитов в крови может быть обусловлено не только разрушением некоторого их количества, но и действием гемолизата. Гемолизат ингибирует эритропоэз в первое время и активирует его в дальнейшем благодаря увеличению количества эритропоэтина, появление которо­го связано с присутствием в крови продуктов распада эритроцитов. В связи с тем, что под действием ультразвука прежде всего разрушаются наименее стойкие, старые формы эритроцитов, можно предположить, что роль регуляторов эритропоэза принадлежит веществам, накапли­вающимся в эритроцитах в течение их жизни - прежде всего метгемоглобину и окисленным формам мембранных липидов.

3.4.4. Клеточные мембраны в механизме биологического

действия ультразвука

Изменения свойств клеточных мембран играют важную роль в механизме биологического действия ультразвука.

Известно, что изменение проницаемости клеточных мембран, приводящее к нарушению ионного состава внутриклеточной среды, обусловливает изменение в скоростях многих ферментативных реак­ций. В результате в клетках возникают репаративные реакции, сопровождающиеся новыми реакциями синтеза. Существенное влияние на состояние организма оказывает ультразвук, приводящий к разруше­нию клеток, что особенно отчетливо проявляется в системе крови. Так, парушение целостности весьма чувствительных к механическим воздействиям тромбоцитов приводит к высвобождению тромбопластина, нарушающего равновесие функционировании свертывающей - антисвертывающей системы крови, регулирующей параметры ее жид­кого состояния.

Разрушение мембран эритроцитов при ультразвуковом облучении организма также приводит к существенным биологическим последст­виям. Содержимое и осколки эритроцитов обнаруживаются в крови здоровых людей и без ультразвукового воздействия, хотя основной путь элиминирования эритроцитов - эритрофогоцитоз - заключае тся в поглощении эритроцитов метками ретикулоэпителиальной системы, расположенной в печени и селезенке. Возможно, существенная роль в регуляции эритропоэза принадлежит метгемоглобин у, содержание ко­торого в эритроцитах к концу их жизни достигает 8...10 %.

Старые эритроциты обладают наименее прочной мембраной и разрушаются под действием ультразвука в первую очередь. Это при­водит к увеличению содержания в крови стимуляторов эритропоэза и последующему увеличению числа эритроцитов в ней. Такая реакция подтверждает известный факт; разрушение зрелых эритроцитов сти­мулирует образование новых клеточных форм.

3.4.5. Системная реакция организма на ультразвуковое

воздействие

Высокочастотное ультразвуковое воздействие неспсцифично для биологических систем. В них нет специализированных рецепторов для восприятия ультразвука как такового, поэтому реакция организма па ультразвук представляет собой сложную комбинацию отдельных реакций на тепловое, механическое, химическое и электрическое воз­действие,

В биологических системах нет рецепторов радиации, электромаг­нитных колебаний (исключая оптический диапазон) и некоторых других факторов внешней среды. Однако живые системы в ходе эво­люции сталкивались с этими факторами и выработали специальные механизмы, позволяющие бороться с нежелательными последствиями их влияния, если энергия воздействия ненамного превышает средний для местообитания организма уровень.

В отличие от указанных факторов ультразвук мегагерцового диа­пазона никогда не влиял на живое в процессе эволюции. Это обуслов­лено пе только малой вероятностью условий, обеспечивающих в при­роде достаточно длительное генерирование относительно высокочас­тотного ультразвука, но и высоким коэффициентом поглощения ультразвука в воздухе.

Еще одно существенное отличие высокочастотного ультразвука от других факторов заключается в том, что ультразвуковое воздействие на организм (в клинике или эксперименте) всегда локально и затрагивает объем, во много раз меньший, чем объем всей биологической системы.

При радиационном поражении организма повреждению на каж­дом уровне предшествует развитие «скрытых» для данного уровня процессов, протекающих на более низком уровне биологической инте­грации, и проявляется на данном уровне, когда репарационные воз­можности предыдущего уровня оказываются исчерпанными. Поэтому видимое радиационное поражение возникает после периода скрытого развития, и максимум наблюдаемых повреждений всегда отделен оп­ределенным промежутком времени от повреждающего воздействия.

Реакция на ультразвуковое воздействие существенно сложнее, по­скольку «скрытые» процессы идут параллельно на нескольких уров­нях, и каждый из них, став наблюдаемым на более высоком уровне биологической организации, накладывается па те, которые уже проте­кают на этом уровне и являются скрытыми по отношению к следую­щему в иерархии структур уровню организации.

Реакция на ультразвук становится сходной с реакцией организма на ионизирующее излучение при длительном воздействии ультразву­ком (см. подразд. 3.3.1) весьма малых интенсивностей (10 мВт/см2; 1 МГц; 14...30 суток), вызывающим изменения в основном на уровне функционирования клеточных мембран.

По типу взаимодействия ультразвук низких интенсивностей яв­ляется скорее информационным, чем энергетическим фактором. Дей­ствительно, нередки случаи, когда слабое ультразвуковое воздействие инициирует мощные последствия. Так, облучение ультразвуком (1...3 МГц; 0,5 Вт/см2; 6 мин) может привести к увеличению скорости циркуляции крови в тканях и повышению температуры организма на 0,5..1,5°С. Для повышения температуры организма массой 70 кг на 0,5 °С (без учета теплообмена с окружающее средой) необходимо за­тратить примерно 1,5 . 105 Дж. Во время ультразвукового облучения организм в лучшем случае получит 2,3 . 103 Дж, т. е. в 100 раз меньше. Учет теплообмена между организмом и средой приводит к значитель­но большим различиям.

После ультразвукового облучения в организме наблюдаются про­цессы восстановления, протекающие на разных уровнях интеграции и характеризуемые различными временными параметрами. Как и в слу­чаях с другими факторами, реакция на ультразвук существенно зави­сит от интенсивности и длительности воздействия, а скорость восста­новительных процессов относительно велика на низшх уровнях ин­теграции и мала на высших.

Под влиянием ультразвука (1 МГц; 0,2..0,6 Вт/ем2; 0,5...5 мин), как уже отмечалось, заметно увеличивается проницаемость клеточных мембран.

Наибольшие изменения в проницаемости наблюдаются в первые 30 мин после облучения, а через 6...10 ч проницаемость клеточных мембран не отличается от исходных значений. Аналогичные данные были получены ранее и при исследовании влияния на проницаемость клеточных мембран рентгеновского излучения (1кР). Достоверные изменения в проницаемости мембран клеток корешков пшеницы на­блюдались в первые 4...30 мин после облучения. Изменения полно­стью репарируются в течение 4...24ч.

В связи с тем, что рентгеновское излучение взаимодействует со средой на молекулярном уровне, на основе сравнения вышеприведен­ных результатов можно предположить, что элементарное взаимодей­ствие ультразвука также осуществляется на уровне макромолекул или макромолекулярных комплексов. Последнее не исключает, однако, возможности влияния ультразвука па различные регуляционные сис­темы, например, путем изменения условий передачи управляющих сигналов в результате деполяризации мембран, изменения градиентов концентраций различных веществ и т. д.

На более высоких, клеточном и тканевом, уровнях организации по­следствия ультразвукового воздействия (0,9 МГц; 0,2...1 Вт/см2; 5 мин) наблюдаются значительно дольше. Так, изменения в тканях коры над­почечником и яичников животных в виде усиления холинэстеразной активности тканевых гомогенатов, повышения гормональной активно­сти яичников и некоторые другие наблюдались в течение 20 дней после ультразвукового воздействия интенсивностью 1 Вт/см2. Более интен­сивный ультразвук (0,6 Вт/см2) вызывает значительные морфологиче­ские изменения, наблюдаемые, по крайней мере, в течение 60 дней.

Ультразвук (0,6...1 Вт/см2) в начальные сроки (0,5...4 ч) после воз­действия снижает количество РНК в тканях зрительного анализатора, к третьим суткам количество РНК увеличивается до 80... 120% и к десятому дню практически не отличается от нормы. При 0,2 Вt/cm2 количество РНК в тканях несколько увеличивается. Отличия обнару­живаются через 2 ч после ультразвукового облучения, достигают мак­симальных значений через сутки и в последующие 2...10 суток мало отличаются от нормы.

Приведенные результаты можно объяснить активирующим действи­ем ультразвука низких интенсивностей (0,2 Вт/см2) и подавляющим действием ультразвука высоких интенсивностей. Не исключено, однако, что ультразвук (0,6..1 Вт/см2) вызывает задержку в клеточном делении (в интерфазе), в течение которой повреждения в клетках будут отрепарированы и не проявятся в виде серьезных дефектов в процессе митоза. Такой «морфостатический» эффект проявился и в уменьшении времени регенерации активно пролиферирующий ткани культи передней ланы тритона после воздействия слабым, диагностическим ультразвуком.

О высокой чувствительности активно пролиферирующих тка­ней к ультразвуку свидетельствует и повышенная смертность эм­брионов мышей, подвергнутых ультразвуковому облучению (1 МГц; 0,125..0,5Вт/см2; 3 мин) на 13-й день развития. Нарушения наблюда­лись во всех случаях, а эффект нарастал пропорционально квадратному корню из интенсивности ультразвука. Аналогичные явления наблюда­ются и при радиационном повреждении организма.

Наиболее длительное последствие обнаруживается на уровне цело­го организма. Так, под действием ультразвука (0,8 МГц; 1,33 Вт/см2) в результате 15-минутной обработки возникают заметные изменения в структуре эпителия кожи человека. В коже, облученной в общей слож­ности в течение 14 ч (за 7,5 месяцев), повышается кератоз. При этом до­зы ультрафиолетового излучения, вызывающие на облученном ультра­звуком участке кожи эритему, возрастают. Тщательные исследования, проведенные через 25 лет после ультразвукового воздействия, обнару­жили пониженную чувствительность кожи на облученном участке к те­пловому и механическому раздражителям.

Вся ультразвуковая терапия базируется на эффектах последейст­вия, Именно эти эффекты, обусловленные ультразвуком специально подобранных параметров, приводят в организме к изменениям, спо­собствующим ускорению нормализации тех или иных функций, вы­здоровлению организма в целом.

Конечный результат ультразвукового воздействия существенно за­висит от его интенсивности. Например, как повышенные, так и понижен­ные моторная и секреторная функции желудка собак нормализуются под действием ультразвука (0,9 МГц; 5...10 мин), если ето интенсивность не превышает 1 Вт/см2. У здоровых животных после ультразвукового воздействия функциональных изменений со стороны желудка не наблю­дается, При интенсивностях, превышающих 1 Вг/см2, ультразвук во всех случаях подавляет моторную и секреторную функции желудка. Ультра­звук невысоких интенсивностей (менее 1 Вт/см2; 0,9 МГц; 3 мин) усили­вает моторику желчного пузыря. Увеличение интенсивности до 1 Вт/см2 приводит к обратному эффекту.

Приведенные данные, а также результаты многочисленных на­блюдений, свидетельствующих об эффективном терапевтическом действии ультразвука невысоких интенсивностей, хорошо соответст­вуют предложенным выше моделям и укладываются в рамки следую­щих предположений.

Ультразвуковое воздействие низких интенсивностей (менее 1 Вт/см2) вызывает на разных уровнях структурной организации ор­ганизма незначительные повреждения, легко репарируемые соответ­ствующими системами. В здоровом, нормально функционирующем организме, процессы развития повреждений после ультразвукового воздействия полностью контролируются репарационными система­ми, остаются в стадии «скрытых» процессов и не вызывают видимых (клинических) реакций со стороны основных систем организма.

Если в организме имеются порочные патогенетические круги, то процессы регуляции, активизированные ультразвуковыми поврежде­ниями, в некоторых случаях способны разорвать эти крути, что приво­дит, как правило, к нормализации нарушенных функций, так как нор­мальное состояние организма более вероятно, чем квазистационарное патологическое.

3.5. УЛЬТРАЗВУК В ФИЗИОТЕРАПЕВТИЧЕСКОЙ

ПРАКТИКЕ

Применение ультразвука существенно обогатило арсенал физио­терапевтических методов. Используя ультразвук, оказалось возмож­ным не только успешно бороться с некоторыми болезнями, но, воздей­ствуя на здоровый организм, повышать его жизнеспособность и со­противляемость неблагоприятным внешним условиям. Разработаны также новые ультразвуковые методы, позволяющие сделать хирурги­ческие манипуляции практически бескровными.

Ультразвуковые методы не лишены, однако, недостатков, препят­ствующих их широкому применению в медицинской и ветеринарной практике.

Применение ультразвука, как, впрочем, и других лечебных воздейст­вий, требует дозировки. При слишком низких интенсивностях и корот­ком времени воздействия ультразвук может оказаться неэффективным, а интенсивное и длительное воздействие может обусловить весьма суще­ственные и не обязательно желательные изменения в организме.

3.5.1. Общая неспецифическая стимуляция методом ультразвуковой аутогемотерапии

При некоторых вяло протекающих инфекционных и других забо­леваниях весьма полезной оказывается проводимая с лечебной целью аутогемотерапия - внутримышечное или внутривенное введение больному (человеку или животному) его собственной крови. Такая процедура приводит, как правило, к улучшению обменных процессов и повышению защитных сил организма.

Эффективность аутогемотерапии можно повысить, если перед вливанием кровь облучить ультрафиолетом, осторожно взболтать или подвергнуть действию ультразвука низких интенсивностей. При этом отмечается значительное улучшение общего состояния организма, повышение его жизнеспособности и сопротивляемости неблагоприят­ным изменениям внешней среды.

Механизм аутогемотерапии достаточно ясен. При введении собствен­ной крови в мышцу она оказывается не там, где ей следует быть, а после возвращения в собственное кровеносное русло после какого-либо воздей­ствия - не такой, какой она должна быть в норме, В обоих случаях организм реагирует на эти ситуации как на незнакомый сигнал о возможных дальнейших изменениях в окружающей среде или в самом организме и, не обладая стандартной программой реагирования на этот сигнал, активизи­руем защитные системы, готовясь (на всякий случай) к худшему.

Основываясь на этом механизме, можно значительно упро­стить операцию аутогемотерапии, воздействуя ультразвуком на кровь через покровные ткани непосредственно в кровеносном рус­ле организма.

Сравнительный анализ изменений в крови кроликов и некото­рых животных после обычной аутогемотерапии и после воздейст­вия ультразвуком (0,88 МГц; 0,3...0,6 Вт/см2; 3...5 мин) - ультразвуковой аутогемотерапии - свидетельствует о качественно одинако­вой реакции со стороны организма на оба воздействия. Как обычная, так и ультразвуковая аутогемотерапия приводят к измене­ниям кислотной, осмотической и ультразвуковой гемолитической стойкости мембран эритроцитов (рис. 3.18), хорошо кореллирующей с общей резистентностью организма и зависящей от содержа­ния холестерина в сыворотке крови (рис. 3.19). Испытывают изме­нения также фагоцитоз и активность лизоцима, характеризующие естественную резистентность организма.

Рис. 3.18. Изменение механической резистентности эритроцитов кролика (по времени полного гемолиза):

I - до воздействия; II -немедленно после воздействия; III - через 4 ч после воздействия; IV -через 24 ч после воздействия; 1-после ультразвуковой аутогемотерапии; 2-после обычной аутогемотерапии; 3-контроль

Рис, 3.19. Изменение содержания холестерина в сыворотке крови кроликов после аутогемотерапии:

I - до воздействия; II - немедленно после воздействия; III - через 2 ч после воздействия; IV - через 4 ч после воздействия, V - через 24 ч после воздействия; 1 - ультразвуковая гемотерапия (0,3 Вт/см ); 2 - ультразвуковая гемотерапии (0,5 Вт/см ); 3- обычная аутогемотерапия; 4 - контроль

После обычной аутогемотерапии, или после 3-5-минутного воз­действия ультразвуком на кровь в краевой вене уха кроликов или в хвостовой вене более крупных животных в течение последующих су­ток наблюдаются сходные положительные сдвиги в организме.


3.5.2. Действие ультразвука на биологически

активные точки

Рефлексотерапия лечебное воздействие иглами, теплотой, надав­ливанием на определенные биологически активные точки, расположен­ные па поверхности тела, - имеет многовековую историю, В последнее время к традиционным методам воздействия добавились и современные - воздействие электрическим током, лазерным лучом, ультразвуком.

Совокупность биологически активных точек функционально представляет собой как бы вынесенный па поверхность тела пульт ин­дикаторов и датчиков, сигналы с которых корректируют работу внут­ренних органов. Функции таких индикаторов, очевидно, выполняют многочисленные рецепторы и нервные окончания, расположенные на участках рыхлой соединительной ткани в области локализации био­логически активных точек.

Как известно, реакция рецепторов на внешнее воздействие всегда сопровождается деполяризацией, снижением мембранного потенциа­ла и изменением проницаемости их мембран, по крайней мере, по от­ношению к ионам натрия и калия. Известно также, что изменение проницаемости клеточных мембран - универсальная реакция клеток па ультразвуковое воздействие. Таким образом, очевидно, что дейст­вие ультразвука на биологически активные точки обусловлено депо­ляризацией мембран рецепторов содержащихся в этих точках.

Электропроводность ткани зависит от соотношения объемов кле­ток и межклеточного пространства, поэтому в биологически активных точках, представляющих собой участки рыхлой ткани, электропро­водность всегда выше, чем на соседних участках поверхности кожи. Изменение проницаемости и деполяризация клеточных мембран при­водят к изменению электропроводности тканей, поэтому найти точку на поверхности тела и оценить направленность и степень изменений в ней в результате какого-либо воздействия проще всего по электриче­ским характеристикам.

В свете современных представлений ультразвуковую акупунктуру, впрочем, как и другие методы воздействия на биологически активные точки, можно отнести к пейростимулирующим методам терапии. При раздражении периферических нервных структур в них генерируются электрические импульсы, которые через рефлекторную цепь вызывают выделение специфических медиаторов в органах - мишенях. Нейромедиаторы, в свою очередь, воздействуют на рецепторы клеток, и в этих органах изменяется интенсивность обменных процессов.

Ультразвуковую акупунктуру в медицинской практике впервые применили в 1974 г. и отметили ее высокую эффективность. Десятью годами позже ультразвуковая акупунктура была успешно использова­на в ветеринарной практике.

Воздействие ультразвуком на биологически активные точки, рас­положенные на вымени коров у основания сосков, вызывает при эндо­метритах резкие сокращения матки, в результате чего из нее удаляются выделения. Действие ультразвуком с интенсивностью 0,08…0,1 Вт/см2 на определенные точки человека и животных приводит к возрастанию в их крови содержания адреналина и норадреналина.

Существенно увеличивается половая потенция баранов и хряков после воздействия непрерывным ультразвуком с интенсивностью 0,05…0,2 Вт/см2 в течение 1...3 мин на точку 38 БАЙ ХУЭ, расположен­ную на средней линии спины, на уровне верхнего края крестцовой кости, и на три пары точек 38 МУ-Я, расположенных в 50 мм от средней линии, на уровне второго, третьего и четвертого крестцовых позвонков.

Воздействие ультразвуком на общеукрепляющие точки обусловли­вает изменение не только в воспроизводительной функции животных. Сразу же после воздействия на эти точки у человека и животных на 7...10 % увеличивается частота пульса и на 10…12 % - частота дыхания, по через несколько часов оба показателя возвращаются к норме.

3.5.3. Стимуляция и подавление воспроизводительных

функций животных

Существует много способов повышения воспроизводительных функций животных. Это и ультрафиолетовое облучение самцов с пло­хой спермопродукцией, и добавление окситоцина к сперме для повы­шения оплодотворяемости и многоплодия, и лазерное облучение се­менников производителей, увеличивающее спермопродукцию и каче­ство спермы. Весьма успешно в качестве регулятора репродуктивных функций используется и ультразвук.

Ультразвуковое воздействие на семенники животных (по одному ра­зу в день в течение четырех дней) также положительно влияет на их ре­продуктивные функции, если интенсивность ультразвука с частотой 0,88 МГц не превышает 0,1 Вт/см2, а время воздействия – 2...3 мин. Такое воздействие па хряков-производителей на 3...5 % повышает объем эякулятов и подвижность сперматозоидов, а использование этой спермы для искусственного осеменения приводит к заметному (около 15%) повы­шению оплодотворяемости свиней и на 20...25 % снижает внутриутробную смертность поросят. По живой массе новорожденные поросята, ро­дившиеся у свиноматок, оплодотворенных спермой стимулированных ультразвуком производителей, не превосходят своих «обычных» со­братьев, но быстрее набирают в весе и меньше болеют.

Действие ультразвука относительно низких интенсивностей (ме­нее 1 Вт/см2 в течение 5... 10 мин) стимулирует и функциональную ак­тивность яичников свиней. В них через месяц после стимуляции при­мерно в 1,5 раза возрастает число зрелых фолликулов, а яичники вдвое увеличиваются в весе и размерах. При осеменении в эти сроки на 25 % увеличивается плодовитость самок, возрастает их молочная продуктивность. Поросята быстро набирают в весе и при отъеме их масса в среднем на 10 % превышает массу поросят, родившихся у нестимулированных свиноматок и выкормленных ими.

Повышение интенсивности ультразвукового воздействия на семен­ники до 1..3 Вт/см2 приводит к обратимому снижению объема эякулята и качества спермы, увеличению количества патологических форм спер­матозоидов. Более высокие интенсивности ультразвука (4 ...5 Вт/см2) вызывают после трехкратного воздействия по 10 мин каждое (один раз в день) атрофию генеративной ткани и полное обеспложивание хряков. Воздействие ультразвуком в том же режиме, или даже при вдвое укоро­ченной экспозиции, на половые железы месячных свинок через кожу в брюшной области, между последней и предпоследней парами сосков, приводит к полной атрофии яичников и стойкому бесплодию. Операция ультразвукового обеспложивания животных безболезненна, не сопряже­на с нарушением целостности кожных покровов, не требует стерильных условий и высокой квалификации оператора.

Действие ультразвука с интенсивностью 4 Вт/см2 и более на об­ласть матки беременных животных вызывает во всех случаях ее рез­кое сокращение, что приводит к прерыванию беременности. При этом общее состояние самки ухудшается незначительно и в дальнейшем не отражается на ее репродуктивной функции.

Используя ультразвук, можно существенно повысить эффектив­ность криокопсервирования сперматозоидов, быстро и объективно оценивать качество спермы (см. § 2.4), а также воздействовать на сперму с целью направленного изменения ее свойств.

Возможно, существенную роль в активизации спермы играет спо­собность ультразвука снижать антигенную специфичность клеток, в том числе сперматозоидов, которые для организма самки являются инородными и должны были бы уничтожаться и удаляться, если бы не многочисленные механизмы, способствующие продолжению рода.

Ультразвуковое воздействие (0,88 МГц; 0,05 Вт/см2) непосредст­венно на сперму уже само по себе положительно влияет на ее свойства, что выражается в повышении выживаемости сперматозоидов в среднем на 10% и увеличении их подвижности на 10...25 %. Выживаемость и подвижность сперматозоидов возрастают под влиянием парааминобеизойной кислоты (ПАБК) и ряда других физических и химических воз­действий. Это свидетельствует о возможной неспецифической реакции на внешние воздействия неизвестной природы. Такие воздействия воспринимаются в виде сигнала о возможных изменениях во внешней сре­де, которые могут оказаться и неблагоприятными. В этих условиях по­вышение выживаемости и подвижности сперматозоидов дает дополни­тельный шанс для продолжения рода в неблагоприятных условиях,

О неспецифичности воздействия и его информационной природе свидетельствуют отсутствие зависимости величины эффекта от ин­тенсивности воздействия (в пределах, определяемых, с одной сторо­ны, чувствительностью системы, а с другой - возможностями ее репа­ративных и регуляторных механизмов), а также качественное сходст­во в реакции биологической системы на воздействия различной природы и одинаковый эффект при комбинированном воздействии разными факторами или каждым из них в отдельности (табл. 3.3).

Такое качественное единообразие ответа системы на неспецифические воздействия уменьшает необходимость изучения первичных меха­низмов взаимодействия того или иною фактора с биологическими объек­тами, и в частности со сперматозоидами, однако знание этих механизмов позволяет априорно оценить пределы, оставаясь в которых воздействие стимулирующего фактора не приведет к отрицательным последствиям.

Таблица 3.3

Влияние ультразвука (0,88 MГц; 0,05 Вт/см2; 30 с) и ПАБК (10-3 М/л) на абсолютную выживаемость и подвижность сперматозоидов (в относительных единицах)

Параметры

Контроль

Ультразвук

ПАБК

Ультразвук +

+ ПАБК

Выживаемость

300±23

370±28

400±29

390±28

Подвижность

5,1 ±0,2

6,1±0,2

6,4±0,1

6,2±0,2

При воздействии на сперму ультразвук низкой интенсивности снижает несовместимость сперматозоида и женского организма и, бо­лее того, перемешивая среду и увеличивая проницаемость мембран, облегчает доставку кислорода и питательных веществ к сперматозои­дам, что повышает их активность. Благодаря способности ультразвука ускорять химические реакции активизируется также капацитация - сложный процесс подготовки сперматозоида к слиянию с яйцеклет­кой. Активация, обусловленная действием ультразвука низких интенсивностей на сперму (например, хряков), приводит в итоге к увеличе­нию ее оплодотворяющей способности (табл. 3.4).

Эффект стимуляции и в этом случае неспецифичен. Качественно сходные изменения получены после добавления в сперму 0,1 мг/мл ПАБК, после комбинированного воздействия ультразвуком и ПАБК, а также после воздействия лазерным лучом или после добавления в сперму охитоципа.

Таблица 3. 4

Результаты искусственного осеменения свиноматок спермой после обработки ультразвуком и добавления ПАБК

Фиксируемые параметры опыта

Контроль

Воздействие

ультразвуком

добавлением ПАБК

ультразвуком и добавлением ПАНК

Количество осемененных маток

20

22

23

20

Количество опоро­сившихся маток

10

17

15

15

Количество поро­сят на

матку

10±1

11±1

11±1

9±1

Живая масса новорожденного поро­сенка, кг

1,37±0,03

1,33±0,03

1,32±0,03

1,45±0,03

Внутриутробная смертность, %

11±2

5 ±2

7±2

18 ±2

3.5.4. Лечение заболеваний опорно-двигательного

аппарата

Ультразвуковая физиотерапия весьма эффективна при лечении острых синовитов, тендовагинитов, периоститов, фиброзных и осцифицирущих периоститов.

Воздействие одним лишь ультразвуком на очаг заболевания (ме­стное воздействие) при острых и хронических асептических процес­сах, касающихся суставов, сухожилий и их влагалищ, связок и других звеньев конечностей, способствует быстрому восстановлению их опорнодвигательной функции. Обычно выздоровление наступает по­сле 6-7 процедур, по одной ежедневно или через день. При хрониче­ских пролиферативных процессах курс лечения увеличивается до 11-12 процедур. Если клинические проявления заболевания не про­ходят, то курс лечения необходимо повторить через 1-2 месяца.

Благодаря ярко выраженному обезболивающему действию, ульт­развук особенно эффективен при лечении неосложненных вывихов голеностопного и плечевого суставов. При острых синовитах, тендовагинитах и других заболеваниях весьма эффективен фонофорез гидро­кортизона или дексазона, обеспечивающий одновременное действие ультразвука и лекарственного препарата.

Фонофорезу - введению лекарственного препарата сквозь непо­врежденную кожу благодаря силам, действующим в акустическом по­ле, - способствует также обусловленное ультразвуком повышение проницаемости клеточных мембран, причем толщина слоя ткани, со­стоящей из клеток, мембраны которых обладают повышенной прони­цаемостью, пропорциональна интенсивности ультразвука. Повышенная проницаемость сохраняется в течение полутора-двух часов, одна­ко наибольшая проницаемость наблюдается в течение первых 25 мин после воздействия ультразвуком. Поэтому в ряде случаев после ульт­развукового воздействия весьма эффективен электрофорез. При та­кой последовательности электрофоретически введенные лекарствен­ные вещества локализуются не только в межклеточном пространстве, по и попадают во внутренний объем клетки.

В физиотерапии опорно-двигательного аппарата лучше всего дей­ствует, не вызывая отрицательных последствий и быстро приводя к выздоровлению, ультразвук с интенсивностями в интервале 0,1...0,4 Вт/см2. Под влиянием низких интенсивностей ультразвука, стимулирующих обменные процессы, снижается экссудация, разрых­ляется фиброзная ткань, начинается декальцификация сформировав­шихся и формирующихся остеофитов и экзостозов. Увеличение интенсивности и длительности воздействия приводит к разрежению кортикального слоя кости в зоне воздействия ультразвука и другим нежелательным последствиям.

3.5.5. Ультразвуковая терапия поражений покровных тканей

Способность ультразвука ускорять процессы синтеза соедини­тельнотканных и других белков, а также РНК в клетках, его стимули­рующее, противовоспалительное и болеутоляющее действие делают ультразвуковую терапию ран весьма эффективной.

Под действием ультразвука (0,88 МГц; 0,5 Вт/см2; 3...5 мин) ра­ны размером 3...5 см в поперечнике заживают на 18-20-й день после их появления. Таким образом, раны заживают на 8-10 дней быстрее, чем рапы, кожу вокруг которых ежедневно обеззараживают 70%-ным раствором винного спирта, а поверхность раны смазывают 50%-ным водным раствором глицерина, и на 4 - 5 дней быстрее, чем раны, края и поверхность которых ежедневно покрывают синтомициновой эмульсией.

Следует отметить, что результат комбинированного действия ультразвука с синтомициновой эмульсией не превышает результатов, обеспечиваемых применением одного лишь ультразвука. Очевидно, ультразвуковое воздействие настолько полно реализует резервы орга­низма, что влияние других факторов на этом фоне оказывается незна­чительным.

Заживление послеоперационных ран можно ускорить, используя ультразвук для предварительной подготовки тканей. Дооперационное воздействие ультразвуком, стимулируя защитные процессы, ускоряет послеоперационную регенерацию тканей, заживление операционного разреза, существенно упрочняет формирующийся рубец. Так, на четвертые сутки после операции, проведенной на коже, предварительно обработанной ультразвуком, прочность рубца оказывается более чем на 30 % выше, чем прочность рубца на неподготовленном участке.

Весьма целесообразно использовать ультразвук и для лечения воспалительных инфильтратов, нередко возникающих в качестве по­слеоперационных осложнений. После воздействия ультразвуком с ин­тенсивностью 0,2...0,6 Вт/см2 воспалительные явления обычно стихают после 4-5 процедур, а после 6-9 процедур инфильтраты чаще всего рассасываются. При ежедневном лечении ультразвуком площадь ра­ны уменьшается в 1,5-2 раза быстрее, патогенные микробы исчезают из раны на 2-3 дня раньше обычного, а рубец формируется без келоидизации. В целом ультразвуковое облучение ускоряет заживление ос­ложненных операционных ран на 2-3 дня.

Фурункулез - острое гнойно-некротическое воспаление волося­ных мешочков, связанных с ними сальных желез и окружающей их клетчатки, вызывается стафилококком и возникает в местах патоген­ного заражения, а также механического или химического раздражения кожи. У животных фурункулы нередко образуются на вымени. Еже­дневные десятиминутные воздействия ультразвуком (0,88 МГц; 0,2... 1 Вт/см2) непосредственно на поверхность фурункулов через вод­но-глицериновую контактную среду значительно ускоряют лечение. Уже после первой процедуры уменьшается болезненность пораженно­го участка, после второй или третьей снижается воспаление, боли полностью исчезают, фурункулы уменьшаются в размерах. На пятый-шестой день большинство фурункулов вскрывается, из них выде­ляются гнойный экссудат и гнойные пробки. Образовавшиеся на месте фурункулов язвочки в последующие 5-6 дней полностью зажи­вают. В некоторых случаях фурункулы не вскрываются: после 10-12 процедур инфильтраты рассасываются и на их месте под кожей обна­руживаются лишь безболезненные уплотнения.

Следует отметить, что использование в качестве контактной сре­ды вместо водно-глицериновой смеси тетрациклиновой мази лишь не­значительно ускоряет процесс лечения. Очевидно, в обоих случаях эффект обусловлен терапевтическим действием ультразвука, а не действием веществ, содержащихся в среде, обеспечивающей акустиче­ский контакт между фурункулом и излучателем ультразвуковых волн.

При абсцессах ультразвуковая терапия также дает хорошие ре­зультаты. Используются те же методы воздействия и параметры ульт­развука, что и при лечении фурункулеза. Применение ультразвука особенно эффективно при лечении абсцессов, расположенных неглу­боко под поверхностью тела.

3.5.6. Влияние ультразвука на молочную железу и лечение ее заболеваний

Молочные железы являются придатками кожи, специализирован­ными для секреции молока. Попытки повышения их продуктивности с помощью стимуляции самыми разными факторами, в том числе и ультразвуком, весьма многочисленны. Особенно эффективен ультра­звук (0,88 МГц; 0,2...0,6 Вт/см2; 5... 10 мин) при раздаивании. Стимули­руя обменные процессы, нормализуя сократительную активность гладкой и поперечно-полосатой мускулатуры, ультразвуковое воздей­ствие улучшает кровоснабжение молочной железы, повышает молокоотдачу, уменьшает явления застоя и задержки молока, сокращает сроки раздаивания.

Стимуляция секреции молока ультразвуком у активно лактирующих животных не всегда приводит к повышению их продуктивности. Эффект зависит от исходной продуктивности и резерва возможностей организма лактирующего животного, а также от интенсивности ультра­звука, локализации и длительности его воздействия. Эффективной реализации резерва продуктивности способствует воздействие ульт­развуком низких интенсивностей (0,2..0,4 Вт/см2) па рефлексогенные зоны вымени животных, расположенные у основания соска. Общее воздействие на вымя также приводит к увеличению секреции на 10...12 % при условии, что интенсивность ультразвука не превышает 1 Вт/см2. При более высоких интенсивностях ультразвукового воз­действия на вымя продуктивность животных или подавляется, или, если компенсаторным механизмам удается справиться с повреждаю­щим воздействием интенсивного ультразвука, продуктивность остает­ся па исходном уровне.

Воздействие ультразвуком на молочные железы приводит к изме­нению качества молока. В молоке увеличивается содержание лизоцима, ценного фермента, придающего молоку бактерицидные свойства. Чем выше концентрация лизоцима в молоке, тем ниже вероятность инфицирования молочной железы, возникновения маститов и других забо­леваний. В связи с этим ультразвук низких интенсивностей может рас­сматриваться как хорошее средство предупреждения маститов.

Увеличение интенсивности ультразвука до 1,5...2,0 Вт/см2, как пра­вило, несколько снижает молочную продуктивность, хотя содержание, лизоцима в молоке возрастает, и тем значительнее, чем ниже было его содержание в молоке животных до ультразвукового воздействия.

Воспаления молочной железы, вызванные гноеродными микроор­ганизмами (маститы), часто встречаются у людей и животных. При маститах весьма эффективны ультразвуковые методы, существенно ускоряющие и удешевляющие процесс лечения.

Первое же воздействие ультразвуком (0,88 МГц; 0,4...0,6 Вт/см2; 10 мин) на пораженную долю вымени снимает болевую реакцию. При своевременном лечении катаральные маститы прекращаются после 2-5 процедур (по одной ежедневно). В конце курса лечения болезне­творные микроорганизмы в молоке совсем исчезают.

Успешно используют ультразвук и при других формах маститов, а также при абсцессах, актиномикозах, флегмонах и отеках различной этиологии. Процесс лечения обычно составляет 5-6 дней и не превы­шает 2-3 недель.

Эффективен для лечения маститов комбинированный метод, включающий лечение ультразвуком и антимикробными препаратами.

3.5.7. Ультразвук в офтальмологии

Ультразвук с интенсивностью, превышающей 1 Вт/см2, вызывает нежелательные явления в структуре глаза - помутнение стекловидно­го тела, образование катаракты, слущивание эпителия па роговице, отек и некроз передних слоев стромы и пр. Поэтому для лечения бо­лезней глаз используют ультразвук с интенсивностью 0,2...0,4 Вт/см2, а время воздействия обычно не превышает 5 мин. Ультразвук в таком режиме заметно активизирует обменные процессы, а также увеличи­вает проницаемость тканей глаза для лекарственных препаратом. В связи с этим на практике, как правило, используют фонофорез.

В лечении глазных болезней была использована и способность ультразвука стимулировать обменные процессы, ускорять биосинтез соединительнотканных белков и ряда других веществ в клетке, акти­визировать восстановительные процессы в поврежденных тканях.

Весьма эффективен ультразвук (0,88 МГц; 0,3 Вт/см2; 5 мин) при лечении тяжелых проникающих ран роговицы и склеры. Под его влиянием ускоряется рассасывание фибрина и лейкоцитарной ин­фильтрации, уменьшается отек стромы роговицы. В результате обра­зуется тонкий, почти бессосудистый рубец, похожий по своему строению на строму роговицы.

Вирусный кератит, в том числе у кроликов, собак, лошадей и дру­гих животных, после лечения ультразвуком быстро проходит и не ос­тавляет грубых рубцов на роговице.

Для воздействия ультразвуком на глаза животных и человека в на­стоящее время используется несколько разных способов. Излучатели небольшого размера (диаметром от 0,5 до 1 см) позволяют облучать ультразвуком ограниченный участок глаза при непосредственном кон­такте с ним. Такой метод чаще всего используют при лечении рубцов, царапин и ран кожных покровов век и кожи вокруг глаз. Для воздейст­вия на сам глаз применяют непрямой контактный метод. В качестве прокладки, передающей акустическую энергию, используют заполнен­ный водой мешочек из тонкой резины, принимающий форму глаза и излучателя. Однако при этом теряется 50...60 % ультразвуковой энергии и становится затруднительной точная дозировка воздействия.

Фонофорез проводят, используя специальную ванночку-векорасширитель, которую устанавливают на предварительно анестезирован­ное глазное яблоко. Края ванночки заводят под веки, а в широкую часть наливают лекарственный раствор, который одновременно используется в качестве среды, обеспечивающей акустический контакт. При стойких хронических патологических изменениях различных структур глаза ультразвуковая терапия малоэффективна.


3.5.8. Влияние ультразвука на внутренние органы

Ультразвук в ряде случаев весьма эффективен при лечении болез­ней внутренних органов.

При ранних воспалительных поражениях печени ультразвук (0,88 МГц; 0,3...0,6 Вт/см2; 5...10 мин) оказывает нормализующее и про­тивовоспалительное действие. В зрелом возрасте, особенно при гипоки­незии и гепатозе, это действие проявляется значительно слабее.

Ультразвуковое воздействие (0,2,..0,4 Вт/см2) на область желчно­го пузыря усиливает его моторную активность. При хронических хо­лециститах после лечения ультразвуком уменьшаются боли, исчезают диспептические явления, значительно уменьшаются или даже полно­стью восстанавливаются размеры печени.

Ультразвуковое воздействие (0,2...0,85 Вт/см2) на область желуд­ка или соответствующую паравертебральную зону нормализует его моторную, эвакуаторную и секреторную функции. При гастрите, в ча­стности у собак, ультразвук нормализует всасывательную функцию в среднем на 32 дня, а секреторную - на 37 дней раньше, чем в контроле. Эффективен ультразвук (0,2...0,6 Вт/см2) и при язвенной болезни.

Под влиянием низкочастотного ультразвука (44...65 кГц) иммун­ная система испытывает существенные изменения. Воздействие на об­ласть селезенки ультразвуковым инструментом с амплитудой 0,3...З мкм в течение минуты, повышая устойчивость иммунной систе­мы к инфекциям, обеспечивает выживание, по крайней мере, 20 % жи­вотных в эксперименте после их заражения высоковирулентным штаммом коклюшных бактерий.

Интенсивность иммуногенеза в ответ на введение в организм анти­гена возрастает, если предварительно - за 24...48 ч - подвергнуть жи­вотное ультразвуковому воздействию. Интенсификация иммуногенеза, очевидно, обусловлена общей реакцией организма на внешнее неспеци­фическое воздействие и отчетливо проявляется в повышении содержа­ния гемолизинов и гемгтлютининов в крови, а также повышении ко­личества антител и розеткообразующих клеток в селезенке.

3.5.9. Лечение опухолей

Ультразвук низких интенсивностей (0,4...2,5 Вт/см2) редко приме­няется в онкологии. С одной стороны, он стимулирует иммунную сис­тему, что в ряде случаев приводит к рассасыванию опухолей, в том чис­ле и тех, которые не подвергались непосредственному воздействию ультразвуком, а с другой - интенсифицирует обменные процессы, уско­ряя разрастание опухолевых тканей. Такая двойственность обусловли­вает определенную степень непредсказуемости, что и препятствует применению ультразвука низкой интенсивности в онкологии.

Ультразвук высоких интенсивностей (1000 Вt/cm2) способен пол­ностью разрушить опухолевую ткань. При этом ввиду фокусирования область, где интенсивность ультразвука превышает порог разрушения, может быть весьма ограничена, что позволяет воздействовать на опу­холь или ее фрагменты, не нарушая целостности окружающих здоро­вых тканей. Однако после разрушения новообразования весьма вели­ка вероятность гибели организма от интоксикации продуктами распа­да опухоли, а разрушать ее по частям нельзя, так как оставшиеся фрагменты начинают бурно разрастаться, увеличивается и вероят­ность метастазирования.

Эффективность ультразвуковых методов в онкологии можно су­щественно повысить, комбинируя ультразвук с другими видами воз­действия.

Значительно усиливает ультразвук низких интенсивностей дейст­вие противоопухолевых препаратов на клетки (см., например, разд. 3.2.5). Однако при введении в организм внутривенно, внутримы­шечно или перорально концентрация противоопухолевых препаратов в опухолях нередко оказывается ниже, чем в здоровых тканях.

Снижать количество вводимого в организм лекарства тоже нель­зя, так как в низких концентрациях многие противоопухолевые пре­параты стимулируют злокачественный рост. Эти препараты вовсе не безвредны для организма и так же, как и в опухолях, подавляют или останавливают рост клеток в здоровых тканях.

При поверхностном расположении опухоли ультразвук может быть использован для фонофоретического введения противоопухоле­вых препаратов непосредственно в пораженную ткань. При этом он не только способствует накоплению препарата в опухоли, но и облегчает его проникновение внутрь клеток, поскольку увеличивает проницае­мость клеточных мембран. Кроме того, благодаря синергизму ультра­звука и противоопухолевых препаратов существенно интенсифициру­ется их действие.

Метод чрескожного фонофореза противоопухолевых препаратов, очевидно, непригоден для лечения новообразований, лежащих в глу­бине тканей. В этом случае для доставки препарата к опухоли можно использовать липосомы (см. подразд. 3.3.4). Доставленные током кро­ви к прогретой ультразвуком опухоли липосомы именно здесь высво­бодят противоопухолевый препарат, который благодаря повышенной в результате ультразвукового воздействия проницаемости клеточных мембран будет депонироваться, в основном, в опухолевой ткани.

Аналогичный процесс, но значительно менее выраженный, на­блюдается и при введении лекарственных препаратов непосредствен­но в кровь.

Сочетание ионизирующих излучений с ультразвуком низких интен­сивностей, а также ультразвуком, обеспечивающим гипертермию опухо­лей, значительно повышает терапевтическую эффективность радиотера­пии. Синергизм этих воздействий (см. подразд. 3.3.6) позволяет при тех же результатах в несколько раз снизить дозу лучевого воздействия и та­ким образом избежать сосудистых, воспалительных и других осложне­ний, наблюдающихся при традиционных способах радиотерапии.


Список литературы


  1. Аграненко ВА., Скачилова H.П. Гемотрансфузионные реакции и осложнения. М,: Медицина, 1986.
  2. Акопян В.Б. Лечит ультразвук. М,: Колос, 1983.
  3. Акопян В.Б. Физические основы ультразвуковой криобиоло­гии // Доклады III национальной школы по криобиологии и лиофилизации. Смолян (Болгария), 1987.
  4. Акопян В.Б, Коржевеnко Г.Н, Шапгип-Березовский Г.Н. Скрытый резерв роста и развития живых систем //Вестник с.-х. науки, 1988.
  5. Акатов В.А., Париков В.А. Ультразвук и его применение в вете­ринарии. М.: Колос, 1970.
  6. Александров В Я. Клетки, макромолекулы и температура. Л.: Наука, 1975.
  7. Вишневский В.И. Стимулирующий ультразвук и криоконсервирование // Криобиология, 1989. № 4.
  8. Гавашели T.B,t Акопян В.Б. Макаров С.Н Ультразвуковая рези­стентность эритроцитов рыбы при ртутном отравлении // Доклады ВАСХНИЛ. 1982. № 7.
  9. Гаврилов Л.Р.t Цирульников Е.М. Фокусированный ультразвук в физиологии и медицине. Л.: Наука, 1980.
  10. Кобахидзе З.В. Салдадзе МЛ. К теоретическим основам фи­зиотерапии. Тбилиси: Сабчота Сакартвело, 1980.
  11. Криоконсервация спермы сельскохозяйственных животных. А.Д. Курбатов, Е.М. Платов, П.В. Корбан и др. Л.: Агропромяздат, 1988.
  12. Маргулис МЛ. Звукохимические реакции и сонолюминесцевия. М.: Химия, 1986.
  13. Молчанов Г.И. Ультразвук в фармации. М.: Медицина, 1980.
  14. Николаев ГА., Лощилов В.И. Ультразвуковая технология в хи­рургии. М.: Медицина, 1980.
  15. Нудыга В.П. Ультразвук в сельском хозяйстве. Краснодар; Краснодарское кн-е изд-во, 1975.
  16. Применение ультразвука в медицине. Физические основы / Пep. с англ.; Под ред. К. Хилла. М.: Мир, 1989.
  17. Tamapинов A.M.,Саулгозис Ю.} Янсон Х.А., Изменение скорости ультразвука и рентгенооптической плотности кости при физических нагрузках // Биомеханические исследования в травматологии и орто­педии. М.: Медицина, 1988.
  18. Улащик B.C., Чиркин А.А,. Ультразвуковая терапия. Минск; Бе­ларусь, 1983.
  19. Флинн  Г. Физика акустической кавитации в жидкости //Фи­зическая акустика / Пep. с англ.; Под ред. У. Мэзона. М.: Мир, 1967.
  20. Фридман Ф.Е., Гундорова Р.А., Кодзов М.Б. Ультразвук в оф­тальмологии, М.: Медицина, 1989.
  21. Цыбров Г.Е, Ершов Ю.А.-, Швтнева Т.В. и др. Электрические явления при ультразвуковой аэрозольной обработке биологических тканей // Сообщения АН ГCCR 1989. № 1.
  22. Эльпинер И.К. Биофизика ультразвука. М.: Наука, 1973.

4. УЛЬТРАЗВУК В   ХИРУРГИИ

Поиск и разработка методов снижения травматичности, кровопотери и болевых ощущений при хирургических операциях, методов, позволяющих уско­рить заживление послеоперационных ран и рассасывание рубцов, а также ме­тодов, облегчающих труд хирурга-оператора, - важные задачи современной хирургии, решению которых способствует применение ультразвука.

Можно выделить две основные области использования ультразвука в оперативной хирургии. Это инструментальная ультразвуковая хирургия и локальные разрушения а глубине тканей с помощью фокусированного ультразвука.

4.1. ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ

ХИРУРГИЯ

За последние годы в практику стали широко внедряться физиче­ские методы хирургического воздействия с применением электрокоа-гуляционной, лазерной, криогенной и ультразвуковой техники.

4.1.1. Принцип действия ультразвуковых инструментов

Рабочая часть ультразвукового хирургического ножа имеет тради­ционную форму лезвия скальпеля, соединенного волноводом с магнитострикционным или пьезокерамическим преобразователем. Рабочая часть может иметь и другую форму в соответствии с требованиями выполняемой операции. Амплитуда колебаний режущей кромки в за­висимости от поставленной задачи может быть изменена от 1 до 350 мкм, а частота выбирается в диапазоне от 20 до 100 кГц. Как известно, трение покоя больше, чем трение скольжения, поэтому трение между двумя поверхностями уменьшается, если одна из них соверша­ет колебательные движения. Именно поэтому работа с ультразвуко­выми инструментами требует от хирурга меньших усилий.

Характер разрушения тканей под действием ультразвукового хи­рургического инструмента зависит от строения его рабочей части, ам­плитуды и направления колебаний. Зависит он и от вязкоупругих свойств и однородности ткани.

При рассечении мягких тканей ультразвуковым ножом, лезвие которого совершает продольные ультразвуковые колебания, взаимодей­ствует с тканью лишь кромка лезвия, обеспечивая процесс микрореза­ния, существенно усиливающего режущие свойства инструмента. Кроме того, у кромки лезвия колеблющегося инструмента выделяется теплота, локально повышающая температуру ткани и обусловливаю­щая гемостатический эффект в результате термокоагуляции крови.

Так, применение ультразвукового скальпеля, амплитуда колеба­ний кромки которого лежит в интервале 15...20 мкм при частоте 44 кГц, в 6 8 раз уменьшает кровотечение из мелких и средних сосудов, в 4-6 раз снижает усилие резания, а также существенно облегчает строго послойное разделение кожи, подкожной жировой клетчатки и рубцово-измененного хряща. Очевидно, что если на инструмент нало­жены лишь продольные колебания, то его воздействие на стенки ране­вого канала минимально.

Для разрушения некоторых патологических образований исполь­зуют специальные волноводы - дезинтеграторы, рабочий конец кото­рых помимо продольных совершает и поперечные колебания. Такие инструменты оказывают существенное влияние па окружающие тка­ни и по мере введения инструмента разрушают их.

Ультразвуковые инструменты обладают явными преимуществами перед электро- или криохирургическими, так как не прилипают к ткани и поверхности раневого канала и не испытывают дополнительных травм. Ультразвуковой скальпель не уступает в ряде случаев и лазерно­му хирургическому инструменту, так как, ощущая сопротивление ткани при операции, хирург лучше контролирует процесс ее рассечения.

В зависимости от поставленной задачи ультразвуковые инстру­менты могут иметь самые разные размеры и форму.

Следует отметить, что при использовании ультразвукового хирур­гического инструмента наряду с гемостатическим эффектом наблюда­ются также анальгетический и бактерицидный и/или бактериостатический эффекты.

Бактерицидный эффект позволяет использовать простую и ори­гинальную методику самостерилизации хирургического инструмента. Рабочую часть инструмента опускают в раствор дезинфектанта и включают генератор. Ультразвуковые колебания вызывают интенсив­ные микротечения жидкости вблизи инструмента, очищающие его по­верхность. Кроме того, увеличивая проницаемость мембран клеток болезнетворных бактерий по отношению к дезинфицирующему веществу, ультразвук повышает эффективность его действия, что позволя­ет в 10 ~100 раз снизить концентрацию этого вещества в растворе. Ес­ли, например, лезвие ультразвукового скальпеля погрузить в бульон со стандартной культурой гемолитического плазмокоагулирующего стафилококка, после этого включенный инструмент подвергнуть двухминутной самостерилизации в разбавленном (0,025...0,5 %) рас­творе диоцида, выключить его и привести в соприкосновение с по­верхностью кровяного агара, то число выросших микробных колоний окажется тем меньшим, чем выше была амплитуда колебаний инстру­мента (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Число микробных колоний на агаре через 24 ч после соприкосновения с ультразвуковым инструментом, прошедшим двухминутную обработку в 0,05%-ном растворе диоцида

Амплитуда колебаний ультразвукового инструмента, мкм

Число микробных колоний

0

100

10

64

20

12

30

0

Контрольный смыв водой с ультразвукового лезвия, кантамивированного Е, coli, уже через 3 ч инкубации дает в питательной среде бурный рост культуры.

Если же загрязненный Е. coli нож, колеблющийся с ультразвуко­вой частотой и амплитудой 20...30 мкм, поместить на 1...2 мин хотя бы в дистиллированную воду, то последующий смыв с него не даст замет­ного роста культуры в течение 6...9 ч.

Чем выше амплитуда колебаний, тем более выражен эффект за­держки роста культуры. Обработка вибрирующего с амплитудой 30 мкм лезвия в растворе диоцида (0,025 %) в течение 1,5 мин приво­дит к стерилизации инструмента.

Аналогичные данные были получены при стерилизации в раство­ре диоцида ультразвуковых инструментов, загрязненных средой, со­держащей Вас. micoides.

На практике для стерилизации ультразвуковой инструмент, ко­леблющийся с максимальной амплитудой, опускают на несколько се­кунд в сосуд с любым дезинфицирующим раствором, например пере­киси водорода.

4.1.2. Влияние ультразвукового хирургического

инструмента на рассекаемую ткань

Длина продольных акустических волн в мягких тканях и жидких средах в диапазоне хирургических ультразвуковых частот составляет 2...7,5 см. Следовательно, градиенты давлений, смещений, колебатель­ных скоростей и ускорений в биологических тканях невелики (см. § 1.2). Поэтому клетки с размерами 10-3...10-4 см не испытывают в поле низкочастотного ультразвука практически никакого воздействия.

Значительно большее влияние на ткани могут оказывать поверх­ностные сдвиговые волны, возникающие в рассекаемых тканях под действием хирургического инструмента и быстро затухающие в тон­ком слое, граничащем с ультразвуковым инструментом, или на грани­цах тканей с отличающимися сдвиговыми характеристиками.

Низкочастотные колебания ультразвукового хирургического ин­струмента даже при амплитудах, измеряемых микрометрами, вызыва­ют увеличение проницаемости клеточных мембран тканей, соприка­сающихся с инструментом.

В этом легко убедиться в модельных опытах на ткани картофеля. Производя ультразвуковым скальпелем надрезы на пластинках из клубня картофеля, можно видеть, что толщина слоя ткани с новы щеп­ной к ионам йода проницаемостью клеточных мембран растет пропор­ционально амплитуде колебания инструмента и температуре ткани (рис. 4.1).

Под влиянием ультразвукового хирургического инструмента воз­растет и скорость диффузии антибиотиков, цианакрилата и других ве­ществ в костную и мягкие ткани,

Цианакрилат и некоторые другие клеи используются и хирургии для склеивания резаных ран, герметизации швов и в ряде других слу­чаев. Однако между пленкой клея и тканыю начинают размножаться болезнетворные микробы, вызывая раздражение, нагноение и другие патологические изменения. Воздействие низкочастотным ультразву­ком на клей способствует его внедрению в ткань и подавлению микро­флоры. Кроме того, ультразвук ускоряет полимеризацию клея, и соединение получается прочным. Метод склеивания мягких и костных тканей в ультразвуковом поле получил название ультразвуковой свар­ки. Использование этого метода значительно снижает вероятность послеоперационных осложнений. Пионерами разработки метода были ученые МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Увеличение проницаемости клеточных мембран в тканях, подверг­шихся действию ультразвука, не только способствует ускоренному вве­дению лекарственных веществ в ткани, но и их депонированию.

Рис. 4.1. Увеличение проницаемости клеточных мембран в ткани клубня картофеля вдоль разрезов, произведенных ультразвуковым скальпелем (22 КГц) при температурах:

Амплитуда колебаний режущей кромки инструмента:

1 - 0 мкм; 2 - 10 мкм; 3 - 20 мкм; 4 - 40 мкм; 5 - 60мкм

Как известно, увеличение проницаемости цитоплазматическом оболочки - одно из начальных звеньев цепочки реакций, возникаю­щих в клетках, тканях, органах и организме в целом (см. подразд. 3.2.7). Очевидно, что отдельными звеньями этой цепочки являются измене­ния активности ряда ферментов, обнаруженные в тканях, окружаю­щих операционное поле. К таким ферментам относятся кислая фосфатаза гистиоцитов, щелочная фосфагаза и цитохромоксидаза лей­коцитов, цитохром-С макрофагов, НАД-Н и TOИ фибробластов, щелочная фосфатаза и АТФ-аза эндотелия капилляров, ацетилхолинэстераза нервных волокон и окончаний. Происходят также измене­ния в структуре и свойствах клеточных органелл, расширение крове­носных сосудов, увеличение кровоснабжения и, как следствие, уско­рение репаративных и регенеративных процессов, а также обезболивание, повышение сопротивляемости организма болезне­творным микробам, заживление ран без грубых рубцов, нормализа­ция функций организма в целом.

При повышении амплитуды колебаний ультразвукового хирур­гического инструмента возрастает и амплитуда поверхностных сдвиговых колебаний, и соответственно увеличиваются потери энергии на границах сред, отличающихся по своим сдвиговым ха­рактеристикам. Чем больше различия в этих характеристиках, тем больше потери акустической энергии, и тем больше теплоты выде­лится на границе сред.

Например, при практически равных объемно-упругих свойст­вах модули сдвига здоровых и патологических тканей могут быть больше или меньше в несколько раз. Это позволяет, используя специальные инструменты дезинтеграторы, производить селективную дезинтеграцию папиллом, ангиом, гемангиом и других новообразо­ваний до состояния аэрозоля, не нарушая целостности здоровых тканей.

Селективность ультразвукового разрушения наглядно проявляет­ся на модели, состоящей из двух соприкасающихся слоев, например желатинового или агарового геля. Чем больше отличаются эти слои по содержанию воды, тем больше различие в их сдвиговых характери­стиках. Результаты экспериментов на двухслойных гелях качественно совладают с результатами разрушения новообразований, граничащих со здоровой тканью. Механизм селективной ультразвуковой дезинтеграции новообразований может быть представлен в виде следующей цепочки: появление интенсивных сдвиговых волн на границе между слоями, отличающимися по модулю сдвига —> образование в зоне раз­дела разрывов, заполняемых микропузырьками газа рост и раскач­ка газовых пузырьков, приводящие к возникновению дополнитель­ных разрывных усилий —> появление газовой фазы между слоями, ло­кализующей ультразвуковое воздействие в пределах одного слоя—> селективная дезинтеграция.

Очевидно, что эффективность ультразвукового разделения слоев двухслойной полужидкой структуры и селективность разрушения слоя, в который введен волновод, зависят от различий в модулях сдвига утих слоев.

Способность ультразвука при достаточно высокой плотности энергии разрушать клетки тканей, эмульгировать жир, снижать эф­фективную вязкость веществ используется в липосакции - вакуум­ном удалении подкожного жира после его ультразвуковой дезинтегра­ции. Этот метод сегодня наиболее популярен при проведении хирур­гической коррекции фигуры. Последние исследования показали, что дезинтегрированный ультразвуком подкожный жир вовсе необяза­тельно удалять искусственно. Он сам в течение нескольких дней вса­сывается в кровь без каких-либо дополнительных процедур или применения лекарственных препаратов и выводится естественным путем. Ультразвуковой метод одновременно подтягивает кожу делает се гладкой и эластичной.

Если твердое тело или ткань граничат с жидкой средой - водой, физиологическим раствором, раствором антибиотиков или других ле­карственных веществ, то ультразвук вызывает в жидкости на границе раздела появление интенсивных потоков с большими градиентами скоростей. В результате этого поверхность очищается, а вещество из раствора быстро диффундирует в ткань. Этот эффект широко исполь­зуется в хирургии для мытья медицинских инструментов, рук хирур­га-оператора, для санитарной обработки полостей и ран,

Для санации полостей в организме или глубоких ран их заполня­ют раствором антибиотика и погружают в раствор ультразвуковой инструмент - дезинтегратор, рабочая часть которого представляет собой цилиндрический волновод диаметром в 3...5 мм. Для предот­вращения травмирования инструментом слизистых оболочек в за­крытых полостях, где визуальный контроль затруднен или невозмо­жен, рабочий конец волновода ограждают устройством из крупно­ячеистой защитной сетки.

Если необходимо санировать поверхностные раны, то вокруг них выкладывают стенку из размягченного пчелиного воска или прижимают к коже, окружающей рану полый пластмассовый или стеклян­ный цилиндр, в который и наливают раствор антибиотика.

Иногда обработку раны проводят, постоянно подавая раствор ле­карственного вещества так, чтобы слой раствора оказывался между волноводом и раневой поверхностью.

Под влиянием колеблющегося ультразвукового инструмента, введенного в раствор, в нем возникают неустойчивые кавитационные полости. Пульсации и схлопывание этих полостей приводят к появле­нию энергичных микротечений и ударных волн. Эта совокупность кавитационных эффектов обеспечивает смыв с поверхностей полостей и ран отмерших частиц тканей, фибринозных и других отложений, а также клеток болезнетворных микроорганизмов. Часть микроорга­низмов разрушается в кавитирующей жидкости, часть гибнет под дей­ствием растворенного антибиотика.

Следует отметить, что после воздействия ультразвуком жизнеспо­собность оставшихся целыми бактериальных клеток заметно подавля­ется, резко снижается их способность размножаться и образовывать колонии, в 2-4 раза увеличивается чувствительность к действию большинства антибактериальных препаратов.

Обработка низкочастотным ультразвуком раневых поверхностей и слизистых оболочек через растворы фармакологических препаратов приводит не только к очистке и обеззараживанию поверхностей, но и к фонофорезу и депонированию лекарственных веществ в тканях. Кроме того, благодаря сосудорасширяющему действию ультразвука улучша­ется снабжение тканей кровью, ускоряются обменные процессы, акти­вируются макрофаги, сокращаются сроки заживления ран, уменьшает­ся вероятность осложнений. Например, при кишечнополостных опера­циях санация полости более чем вдвое сокращает число случаен гибели от перитонитов.

Совокупность эффектов, обусловливающих полезные свойства ультразвуковых инструментов, стала основой их применения в стома­тологической практике. Ультразвук, использованный впервые в 1955 г. для удаления зубных камней, в дальнейшем стали применять для очистки, санации и шлифовки поверхности зубов. Разработаны специальные стоматологические методы фонофореза и электрофонофореза, позволяющие существенно повысить концентрацию лекарст­венных веществ в тканях, окружающих корень зуба.

Традиционные ультразвуковые инструменты оказались весьма полезными и удобными при челюстных операциях. Их кровоостанав­ливающее и аналгезирующее действие ярко проявляется при операци­ях на пронизанной кровеносными сосудами и богатой болевыми ре­цепторами слизистой рта.

Ультразвуковые ванны широко используются для санитарной очистки стоматологических инструментов, изделий зубных техников и т.д. Следует отметить и появление ультразвуковых зубных щеток, легко очищающих даже стойкий налет с поверхности зуба.

Применение низкочастотного ультразвука также весьма перспектив­но в ветеринарной хирургии. Наряду с использованием хирургического инструмента для оперативных вмешательств, санации ран и полостей, ускорения полимеризации биологических клеев для бесшовного соеди­нения краев ран представляет интерес использование специальных ульт­развуковых ванн для лечения ряда болезней копыт и копытец, принося­щих ощутимый урон промышленному животноводству.

4.2. ХИРУРГИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ФОКУСИРОВАННЫМ УЛЬТРАЗВУКОМ НА ВНУТРЕННИЕ СТРУКТУРЫ ОРГАНИЗМА

Фокусированный ультразвук нашел применение в медицинской хирургической практике для решения ряда специфических задач. В практической ветеринарии он пока не используется, поскольку это требует стационарных условий и специальной техники. В то же время воздействие фокусированным ультразвуком широко применяется в практической медицине для разрушения небольших образований в глубине организма без травмирования окружающих тканей и наруше­ния целостности кожных покровов, а также в экспериментальной био­логии для получения информации, необходимой при разработке но­вых методов диагностики и лечения.

4.2.1. Фокусирование ультразвука

Интенсивность ультразвука, излучаемого пьезопреобразователями, обычно не превышает 10 Вт/см2, поэтому если в некотором ог­раниченном объеме требуется получить ультразвук более высоких интенсивностей, его фокусируют, используя излучатели с вогнутой поверхностью, вогнутые отражатели ультразвука, ультразвуковые линзы или системы, состоящие из нескольких отдельных излучате­лей, управляемых с помощью компьютера и расположенных так, что­бы излучаемые ими ультразвуковые лучи пересекались в нужном месте пространства. Чаще всего используют керамический излуча­тель, представляющий собой часть сферы и фокусирующие ультра­звуковую энергию в области центра кривизны излучающей поверх­ности (рис. 4,2).

Фокальная область представляет собой эллипсоид вращения, вы­тянутый в направлении распространения ультразвуковых поли. Диа­метр фокального пятна зависит от частоты ультразвука и уменьшает­ся с ее увеличением. Теоретически в среде, не поглощающей ультра­звук, через фокальную область проходит не более 84% энергии от излучателя. Очевидно, что в тканях, коэффициент поглощения кото­рых всегда отличен от нуля, эта величина еще меньше.

Рис. 4.2. Геометрические характеристики сферического излучателя и фокусированного ультразвукового ноля: R - радиус излучателя; F - фокусное расстояние; h - глубина;  угол раскрытия; r и I радиус и длина фокальной области соответственно

Точная форма области разрушения ткани зависит от ее структуры и свойств. В однородной ткани очаг разрушения по форме напоминает эллипсоид. Если же облучаемый участок состоит из различных тка­ней, отличающихся чувствительностью к ультразвуку, то предсказать заранее форму пораженной зоны оказывается весьма непросто. При воздействии на мозг, например, селективно может быть разрушено бе­лое вещество, так как серое вещество и сосудистая система менее чув­ствительны к ультразвуку.

В последнее время в практику входят также фазированные решет­ки-излучатели, содержащие ряд отдельных пьезоэлементов, возбуж­даемых поочередно в соответствии с особым алгоритмом. Такие электронно-управляемые решетки позволяют фокусировать ультразвук в нужном месте пространства.

Современные фокусирующие системы позволяют получать в фо­кальной области ультразвук с интенсивностью, измеряемой десятка­ми тысяч Вт/см2,

Характеристики ультразвука в фокальной области легко оценить, зная размеры и радиус кривизны керамического преобразователя, а также частоту ультразвука и его интенсивность у излучающей поверх­ности. Так, радиус фокальной области определяют по формуле

Где F расстояние от фокальной области до излучателя;

R - радиус кривизны излучателя;

 - длина ультразвуковой волны.

Длину фокальной области рассчитывают по формуле

где  - угол раскрытия излучателя.

Интенсивность в фокальной области

Если угол раскрытия не превышает 450 то максимальная интен­сивность в центре фокальной области:

Сходясь в фокусе, ультразвуковые волны затем расходятся вновь. При этом знак кривизны фронта волны меняется на обратный (рис. 4.3). В самой фокальной области волну можно считать практиче­ски плоской и использовать для расчетов известные соотношения для плоской волны (см. §§ 1,1; 1,2).

Фокальную область излучателя совмещают с участком, который необходимо разрушить, используя стереотаксическую установку.

Воздух между излучателем и тканью, как известно, является непре­одолимой преградой для ультразвука. Поэтому пространство между из­лучателем и поверхностью заполняют жидкостью в мешочке из тонкой резины. Чаще всего в качестве контактной жидкости используют дега­зированную воду. В такой воде под действием ультразвука не выделя­ются пузырьки газа, поглощающие акустическую энергию.

Биологические эффекты существенно зависят от интенсивности фокусированного ультразвука, а измерить интенсивность в фокусе весьма непросто. Поэтому ее измеряют обычно в воде, акустические

Рис. 4.3. Изменение знака кривизны фронта волны при переходе через фокус

характеристики которой близки к характеристикам биологических сред. Разработано много методов измерения интенсивности ультразвука, в том числе и фокусированного, но удобнее всего пользоваться радиомет­рическим методом, с помощью которого измеряют давление звука на пластинку, подвешенную к коромыслу весов и опущенную в воду.

Общая мощность излучателя W связана с действующей на поверх­ность пластинки силой F простым соотношением  отражающей поверхности и соотношением  поглощающей поверхности. Если силу измерять в граммах, то  Средняя интенсивность в фокальной области

где  - площадь поперечного сечения фокальной области. Ко­эффициент 0,84 указывает на то, что в фокальную область попадает 84 % всей энергии, излучаемой преобразователем.

4.2.2. Биологическое действие фокусированного

ультразвука

Действие фокусированного ультразвука на клетки и ткани обу­словлено теплотой, выделяющейся при поглощении акустической энергии, и механическими возмущениями в среде. Оба фактора действуют совместно, однако, в зависимости от интенсивности ультразвука и условий воздействия, один из них может превалиро­вать над другим.

Необходимо отметить, что порога биологического действия пло­ской ультразвуковой волны значительно ниже порогов действия фо­кусированного ультразвука на те же структуры. По-видимому, это обусловлено сравнительно малым объемом фокальной области. Из­вестно, например, что кавитационная прочность воды и мягких биоло­гических тканей при фокусировании ультразвука и уменьшении раз­меров области воздействия резко возрастает (см. § 1.13).

При относительно малых интенсивностях в фокальной области (0,4...300 Вт/см2) и импульсном режиме воздействия можно наблю­дать возбуждение одиночных тканевых рецепторов и возникновение спайковой активности у черноморских скатов, раздражение централь­ных нервных структур виноградной улитки, слуховых рецепторов ля­гушки и человека и т.д. При несколько более высоких интенсивно­стях ультразвука или при большей длительности импульса наблюда­ется обратимое подавление активности нервных структур.

Инициирование обратимых изменений в отдельных структурах цен­тральной нервной системы позволяет локализовать структуры, ответст­венные за тс или иные проявления в состоянии или поведении животно­го, а в дальнейшем и управлять его поведением. Можно также обратимо отключать соответствующие центры для проведения хирургических опе­раций без применения анестетиков и наркотических средств.

Тепловые эффекты, обусловливающие стойкие, необратимые, гис­тологически регистрируемые изменения в фокальной области, возни­кают в тканях при интенсивностях ультразвука, измеряемых сотнями и тысячами Вт/см2, и чем выше интенсивность ультразвука, тем мень­ше времени требуется для разрушения ткани. Разрушения, вызывае­мые тепловыми эффектами, проявляются в тканях не сразу после воз­действия ультразвуком, а спустя 2...3 мин и в последующие 15…20 мин продолжают увеличиваться в размерах.

Немедленные изменения «под лучом» возникают при интенсивностях ультразвука, превышающих пороги кавитации в мягких тка­нях. При этом кровотечение, разрывы и гомогенизацию тканей в фокальной области можно наблюдать и без применения тонких гистоло­гических методов.

4.2.3. Использование фокусированного ультразвука в экспериментальной биологии и медицине

Возможность вызывать в тканях локальные обратимые и необра­тимые изменения с помощью фокусированного ультразвука широко используется на практике. В частности, бесконтактное ультразвуко­вое раздражение нервных структур на поверхности организма и в глубине тканей без нарушения целостности кожных покровов и, сле­довательно, без оперативного вмешательства позволило определить пороговые амплитуды смещения частиц среды, вызывающие возбуж­дение ряда нервных структур и обусловливающие разнообразные ощущения (табл. 4.2).

Таблица 4,2

Пороговые смещения, вызывающие возбуждения некоторых

нервных структур

Возбуждаемые структуры и ощущения

Амплитуды смещении, мкм

Рецепторы ушного лабиринта (лягушка)

0,004 - 0,01

Тельца Пачини (коготка)

0,03 - 0,05

Тактильные ощущения (человек)

0,08-0,1

Ощущение тепла (человек)

0,2 - 0,4

Ощущение холода (человек)

0,4-0,6

Ощущение боли в кости (человек)

0,13-0,16

Ощущение боли в коже (человек)

0,24 - 0,5

Нарушение проводимости в нервных волокнах

10-15

Часть исследований была выполнена на людях-добровольцах, и основном на авторах этих исследований, уверенных в невозможности случайного поражения жизненно важных нервных центров. Выбор объекта обусловлен тем, что только человек может сообщить о возни­каюих у него ощущениях и описать их характерные особенности.

Раздражая ультразвуком чувствительные точки, можно вызвать практически все известные ощущения - прикосновения и боли, тепла и холода, щекотки и зуда; однако не все рецепторы качественно одина­ковы. В одних, увеличивая интенсивность ультразвукового воздейст­вия, можно последовательно вызвать тактильные, тепловые и болевые ощущения; в других - тактильные и тепловые; в третьих - только так­тильные. Следовательно, используя фокусированный ультразвук, можно не только селективно воздействовать на отдельные рецепторные структуры, по и исследовать различия в реакции одних и тех же структур при дозированном изменении величины стимула.

Результаты исследования реакций одних и тех же рецепторов на разные ультразвуковые стимулы при различных температурах окру­жающей среды показали, что одни и те же воспринимающие нервные структуры обеспечивают ощущение тепла и холода, а появление того или иного ощущения зависит от соотношения температуры тела и температуры окружающей среды.

Исследования влияния фокусированного ультразвука на механорецепторы животных - тельца Пачини и слуховые рецепторы - по­зволили показать, что электрофизиологическая реакция этих струк­тур возникает при механических смещениях окружаю/пей среды, со­ставляющих сотые доли микрометра. Эти смещения в 100-1000 раз меньше размеров воспринимающих структур.

Весьма многообещающи результаты исследования возможности возбуждать с помощью фокусированного ультразвука рецепторы внутреннего уха у больных с нарушением звукопроводящих путей. При подаче к нервным окончаниям внутреннего уха сфокусирован­ных высокочастотных ультразвуковых колебаний, модулированных сигналом звуковой частоты, глухие начинают слышать.

Ультразвуковые воздействия с интенсивностью, превышающей 30 Вт/см2, при определенных условиях могут вызвать обратимые из­менения в проводимости нервных волокон. Температура тела при этом увеличивается не более чем на 1 0C.

Необратимое подавление нервной проводимости интенсивным фо­кусированным ультразвуком успешно используется для лечения весьма болезненных подкожных невром. Импульсный ультразвук с частотой 2,7 МГц и интенсивностью в фокальной области примерно 1700 Вт/см2 при воздействии на периферические нервы в непосредственной близо­сти от невромы быстро снимает болевые ощущения.

Фокусированный ультразвук применяют в экспериментальной и практической медицине для торможения доброкачественного и злока­чественного опухолевого роста.

Клетки опухолевых тканей разрушаются быстрее здоровых, что под­тверждается гистологическими исследованиями. Через несколько дней после воздействия опухоли, как правило, размягчаются и уменьшаются в размерах. Ни роста опухоли, ни метастазирования или других отрицатель­ных последствий после ультразвукового воздействия не наблюдается.

Следует, однако, отметить, что разрушение больших объемов опу­холевых тканей часто приводит к летальному исходу в результате ин­токсикации организма продуктами тканевого распада. У выживших, как правило, наблюдается рассасывание остатков опухолевых тканей и полное выздоровление.

Хорошие результаты при лечении опухолевых патологий дает ме­тод ультразвуковой гипертермии, основанный на том, чти клетки здо­ровой ткани выдерживают нагревание до более высокой температуры, чем клетки опухоли. Один или несколько фокусирующих излучате­лей позволяют обеспечить управляемый нагрев глубоко расположен­ных опухолевых тканей и достаточно длительное время поддерживать их при температуре, превышающей 42 0С.

Преимущество ультразвуковой гипертермии перед УВЧ - или СВЧ - нагревом состоит в том, что ультразвуковой нагрев может быть точнее локализован. Помимо чисто температурного, ультразвук обла­дает и цитотоксическим действием.

Механизм гибели клеток пол воздействием ультразвука при по­вышенных температурах практически не изучен, и лишь предполага­ется, что основной мишенью разрушающего действия ультразвука яв­ляются цитоплазматические мембраны. Вероятно, дальнейшие иссле­дования позволят достичь максимальной эффективности при использовании фокусированного ультразвука для лечения заболева­ний опухолевой этиологии.

Недавно был разработан новый эффективный метод уничтоже­ния опухолей головного мозга, не поддающихся обычному хирургиче­скому лечению. В его основе принцип разрушения патологического образования фокусированным ультразвуком. Для фокусирования энергии в нужном месте на черепе пациента располагают несколько относительно слабых источников ультразвука. С помощью компьютерной программы, в которую закладываются полученные с помощью томографии данные о структуре черепа и головного мозга пациента, рассчитываются направление и интенсивность ультразвуковых им­пульсов так, чтобы только в опухоли они создавали достаточно высо­кую плотность ультразвуковой энергии.

Одним из последних достижений в этой области можно считать разработку метода ультразвукового лечения рака простаты. Вся лечеб­ная процедура заключается в проведении управляемого компьютером воздействия фокусированным ультразвуком на опухоль под местной анестезией. Каждый сеанс длится около 45 мин. Новый метод лечения рака предстательной железы требует всего двух сеансов, тогда как при радиационной терапии положительный эффект достигается при двад­цатикратном облучении. Кроме того, ультразвуковой метод эффек­тивнее и значительно безопаснее для больного и окружающих.

Фокусированный ультразвук можно применять при лечении бо­лезни Меньера. Сущность болезни состоит в нарушениях во внутрен­нем ухе, что приводит к приступам головокружения. Ультразвук фо­кусируется на латеральном полукружном канале уха и разрушает оп­ределенные структуры в лабиринте. Для этого метода лечения очень важна точная дозиметрия, поскольку вблизи полукружного канала проходит лицевой нерв и разрушение этого нерва ведет к лицевому параличу. При удачном исходе операции пациенты на длительное вре­мя избавляются от головокружений.

Перспективен новый простой и безопасный способ мужской сте­рилизации, заключающийся в разрушении семявыводящего протока при помощи ультразвука. 13 отличие от традиционной вазэктомии, ультразвуковая стерилизация проводится без нарушения целостности покровных тканей. Семявыводящий проток фиксируют специальным зажимом, в который встроен излучатель ультразвука. Энергия ультра­звука фокусируется под кожей на семявыводящем протоке, который в течение 20...50 с нагревается до 50°, что приводит к гибели клеток и образованию спаек, полностью перекрывающих просвет. Методика испытана на экспериментальных животных.

Весьма перспективно использовать ультразвук и для коррекции деятельности отдельных структур головного мозга. Так, неконтроли­руемые подергивания головы и конечностей, являющиеся симптома­ми болезни Паркинсона, можно ликвидировать, нарушив деятель­ность соответствующих глубинных участков мозга путем ультразву­кового воздействия.

Вызванные с помощью фокусированного ультразвука локальные разрушения можно использовать не только для уничтожения патоло­гических участков, но и для исследования роли отдельных структур мозга в процессе жизнедеятельности, а также для изучения структур­ных связей в центральной нервной системе. Возможно, в ходе иссле­дований на животных будут намечены новые подходы к лечению ряда болезней человека, а также к управлению продуктивностью и поведе­нием сельскохозяйственных животных.

Для воздействия фокусированным ультразвуком на мозг животного в его черепе заранее готовят трепанационное отверстие, так как прохож­дение ультразвука через неоднородную по структуре и неравномерную по толщине коего черепа приводит к сильной расфокусировке луча.

Однако в ряде случаев, в частности у крупных животных, удастся выбрать участки черепа без резких изменений толщины и кривизны, при прохождении через которые ее наблюдается существенных иска­жений формы ультразвукового поля и геометрии фокального пятна. Чем крупнее животное, тем легче найти на его черепе подходящие участки, так как у мелких животных весьма значительны изменения радиусов кривизны костей черепа и их толщины. При прохождении ультразвука через кости черепа мелких животных можно наблюдать смещение фокальной области от расчетного положения, расфокуси­ровку и появление новых вторичных фокусов. Интенсивность ультра­звука в этих вторичных фокусах значительно ниже, чем в главном, но нередко достаточна для того, чтобы вызвать повреждения и другие не­желательные биологические эффекты.

Использование фокусированного ультразвука в эксперименталь­ной медицине и ветеринарии только начинается. Однако успехи, на­пример, в лечении рака простаты, позволяют надеяться, что дальней­шие исследования дадут и руки экспериментаторам и практикам хоро­ший инструмент воздействия на внутренние структуры организма без нарушения целостности покровных и окружающих тканей.

Список литературы

1 . Акопян В.Б. Лечит ультразвук. М,: Колос, 1983.

  • А.с. 918840. Способ определения формы ультразвуковою ноля при биологических исследованиях / В.Б. Акопян, А.С. Дубовой, 1981.
  • Гаврилов Л.Р„ Хэпд Дж. Разработка и экспериментальное иссле­дование внутриполостной фазированной антенной решетки для ульт­развуковой хирургии простаты // Акустический журнал. 2000. № 2.
  • Гавралов Л.Р.} Хэпд Дж. Двумерные фазированные решетки для применения в хирургии: перемещение одиночного фокуса // Акусти­ческий журнал. 2000. № 4.
  • Гаврилов Л.Р, Хэпд Дж„ Юшина Й,Г. Двумерные фазированные решетки для применения в хирургии: сканирование несколькими фо­кусами // Акустический журнал. 2000. № 5.
  • Гаврилов Л,Р„ Цирульников Е.М. Фокусированный ультразвук в физиологии и медицине. Л.: Наука, 1980,
  • Гладилин О.В., Догадов А.А. Фокусирующие излучатели ультра­звука с электрически управляемой пространственно-временной структурой создаваемых полей // Акустический журнал. 2000. № 4.
  • Дубров Э.Я. Рану лечит ультразвук // Компьютерные техноло­гии в медицине. 1997. № 2,
  • Цирульников Е.М., Гаврилов Л.Р., Дэвис И. О различных ощуще­ниях кожной боли // Сенсорные системы. 2000.
  • Николаев Г.А., Лощилов В.И. Ультразвуковая технология в хи­рургии. М.; Медицина, 1980.
  • Применение ультразвука в медицине. Физические основы / Пер. с англ.; Под ред. К. Хилла. М.: Мир, 1989.
  • Янсоп Х.А., Дзенис В.В., Татаринов A.M. Ультразвуковое иссле­дование трубчатых костей / Рига: Зинатне, 1990.


5. УЛЬТРАЗВУК   В БИОТЕХНОЛОГИИ

В основе всех ультразвуковых технологий лежат эффекты взаимодействия ультразвука со средой. Мощный ультразвук вызывает в жидких средах ряд спе­цифических эффектов - кавитацию, интенсивные микро- и макропотоки, при­водящие к быстрому и качественному перемешиванию компонентов среды, обра­зованию стойких эмульсий, экстрагированию растворимых компонентов из на­ходящихся в жидкости частиц, необходимо разрушению этих частиц.

Оборудование для ультразвуковых технологий условно подразделяется на две группы о зависимости от способа получения ультразвука. К первой относят оборудование, в котором используются относительно простые по конструкции жидкостные механические излучатели, позволяющие генерировать ультразвук достаточной для технологических целей мощности с частотами до 40 кГц.

Гидродинамические излучатели позволяют получать относительно недо­рогую ультразвуковую энергию и используются а тех случаях, когда не тре­буется монохроматичности и высокой интенсивности излучения.

В излучателях второго типа ультразвук возникает в результате превра­щения электрической энергии а механическую с помощью пьезоэлектрических или магнитострикционных преобразователей. Такие преобразователи дают, как правило, монохроматическое ультразвуковое излучение, что позволяет повышать их эффективность благодаря резонансным явлениям. Для увеличения ин­тенсивности на высоких частотах используются ультразвуковые концентра­торы, представляющие собой фокусирующие системы в виде вогнутых излуча­телей, а в низкочастотном диапазоне используют трансформаторы в виде стержней переменного сечения, позволяющие во много раз увеличивать ампли­туду смещения излучающей поверхности. В отдельных случаях применяют также электроискровые излучатели, генерирующие в жидкости ударную волну.

5.1. УЛЬТРАЗВУК В ПИЩЕВОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

Вопросам применения ультразвука в машиностроении посвящено немало монографий и публикаций в специальных журналах. Здесь мы ограничимся лишь перечислением основных задач биотехнологии, ре­шаемых с использованием ультразвука.

В пищевом машиностроении ультразвук широко применяется при подготовке металлических поверхностей перед нанесением грунта, подготовке грунтованных поверхностей под нанесение кра­сок, для полировки поверхностей, обезжиривания и очистки труд­нодоступных мест, деформационной правки и локальной рихтовки, повышения предела выносливости сварных соединений, их коррозионно-механической стойкости и долговечности, оперативного ав­томатизированного контроля геометрической точности штамиовой оснастки и деталей, повышения стойкости шлифовальных кругов на обдирочных и чистовых стадиях обработки посредством их опе­ративной ультразвуковой очистки от засаливания в процессе экс­плуатации. Ультразвук эффективен в технологиях восстановления режущих свойств гибких полировочных кругов в операционных и межоперационных режимах, повышения классности и однородно­сти полированной поверхности, повышения эмульсионной устой­чивости смазочно-охлаждающих жидкостей и предотвращения их расслоения, повышения качества нарезания резьб метчиками, по­вышения стойкости метчиков и сверл малых диаметров, упрочне­ния галтелей и поверхностей, подвергаемых знакопеременному нагружению без применения термохимических и термических мето­дов. Применение ультразвука ускоряет дробление стружки, защищает сверла от поломок в процессе сверления глубоких кана­лов, а также монтажа и демонтажа резьбовых и напряженных разъ­емных соединений, способствует повышению показателей конструкторско-технологической прочности композитных материалов на полимерном связующем, позволяет осуществлять сварку пласт­массовых деталей.

5.2. ПРИБОРЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ

Применение ультразвука для определения свойств, состава и строения веществ в промышленном производстве и в научных иссле­дованиях основано на зависимости скорости и затухания ультразвуко­вых волн в объеме и поверхностном слое вещества от его состава и структуры, на законах отражения и рассеяния ультразвука па грани­цах двух сред с различными акустическими свойствами, на изменении резонансных параметров твердых тел в зависимости от свойств окру­жающей среды. Акустические методы в ряде случаев позволяют заме­нить субъективную органолептическую оценку результатами объек­тивного экспресс-анализа пищевых продуктов и сырья в технологиче­ских процессах их переработки.

5.2.1. Определение содержания белка, жира и минеральных веществ в биологических средах

Возможность определения состава биологических сред по их аку­стическим свойствам появилась благодаря точным методам измере­ния скорости распространения и коэффициента затухания ультразву­ка в малых объемах. Разработке этих методов предшествовали широ­кие исследования в области молекулярной акустики, выявившие общие закономерности, связывающие состав и структуру биологиче­ских жидкостей и тканей с их акустическими параметрами. Внедрение акустических методов в ветеринарную санитарию и технологии пере­работки продуктов животноводства позволяет заменить многие субъ­ективные оценки результатами объективного экспресс-анализа мяса, молока и мясомолочных продуктов.

Исследования показали, что акустические характеристики бел­ков, липидов, минеральных веществ и воды в тканях аддитивны, ины­ми словами, зависят лишь от содержания каждого из этих компонен­тов при неизменной концентрации остальных. Кроме того, зависи­мость акустических свойств белка, жира и минеральных веществ от их концентрации, а также температуры существенно различается, что и позволяет одновременно измерять содержание каждого компонента в среде сложного состава.

В простейшем случае, например для раствора белка в воде, зави­симость между скоростью распространения ультразвука (и) и концен­трацией белка () выражается соотношением

где  - скорость ультразвука в воде;

- коэффициент связи между скоростью ультразвука и концен­трацией белка.

Для смеси нескольких веществ - белков липидов, минеральных веществ уравнение примет вид:

где  - концентрации белка, липидов и минеральных веществ;

 - коэффициенты пропорциональности. Аналогичное уравнение можно записать для затухания ультразву­ка в растворе смеси веществ:

Еще два уравнения, связывающие концентрации белка, липидов и минеральных веществ в биологической жидкости, можно получить, измеряя скорости ультразвука и коэффициенты его затухания при двух различных температурах - 

В этом случае при решении системы линейных уравнений измеряемые акустические параметры линейно зависят от концентра­ции в интервале от 0 до 5 %.

Аддитивность сохраняется при любых со­отношениях белка, липидов и минеральных веществ, а коэффициенты в уравнениях легко определяются экспериментально. Используя при­веденную выше систему уравнений, можно определить концентрацию основных компонентов биологических жидкостей.

Систему уравнений можно упростить, если учитывать не абсо­лютные значения , а их изменения:

Решая уравнение относительно  получаем

Специальные измерения при  позволили оп­ределить значения коэффициентов:

Подставляя эти коэффициенты и результаты измерений  в последнюю систему уравнений, можно опреде­лить содержание белка, липидов и минеральных веществ в пробе.

Во избежание ошибок измерения следует проводить в разбавлен­ных (не более 5 %) гомогенатах, а результаты измерений умножать на коэффициент разбавления. Для приготовления гомогенатов предва­рительно измельченные кусочки мяса диспергируют, используя мощ­ный низкочастотный ультразвук.

В некоторых случаях, например, при оценке качества молока, об­разец не требует предварительной подготовки, а измерения и расче­ты можно существенно упростить, представив молоко в виде трехкомпонентной водной системы, содержащей белок, жир и сухие обез­жиренные молочные остатки. Для подобных измерений на базе разработок Института биофизики РАН л Новосибирске создан удоб­ный лабораторный прибор, позволяющий в течение нескольких ми­нут в небольших (1 см3) образцах молока, мясного или колбасного фарша одновременно определить содержание жира, белка, минераль­ных веществ и воды.


5.2.2. Определение качества мяса в процессе его созревания

Определение качества мяса - одна из важнейших задач ветеринарно-санитарной экспертизы. Переход животноводства па промыш­ленную основу и связанные с этим изменения условий содержания животных привели к появлению нестандартной продукции. Мясо од­них животных отличается повышенной жесткостью, в мясе других не протекают процессы созревания.

Рутинные методы определения свежести мяса и степени его со­зревания либо весьма трудоемки и длительны, либо основаны на орга­нолептике и, следовательно, необъективны.

Выгодно отличается от них ультразвуковой метод, позволяющий измерять сдвиговые характеристики, в частности сдвиговую вязкость биологических тканей.

Принцип действия ультразвуковых вискозиметров прост и осно­ван на зависимости характера колебаний контактирующего со средой вибратора от ее вязкости.

Датчик' прибора для измерений вязкоупругих свойств тканей представляет собой стержень, торец которого совершает крутильные колебания (рис. 5.1). Контакт с исследуемой средой обусловливает дополнительные потери энергии колебаний, затрачиваемой на возбу­ждение в среде поверхностных волн. Такие потери энергии приводят к уменьшению амплитуды вынужденных колебаний вибратора или бо­лее быстрому затуханию его свободных колебаний. Изменяется и час­тота резонансных колебаний.

Потери энергии вибратора пропорциональны  ( - плотность, а  — коэффициент сдвиговой вязкости среды). Следовательно, ульт­развуковой сдвиговый вискозиметр позволяет исследовать и контро­лировать кинетику процессов в среде (в частности, в биологических тканях), сопровождающихся изменениями одного из этих параметров.

Рис. 5.1. Датчик прибора для измерения вязкоупругих характеристик мягких тканей, с помощью крутильных колебаний:

1 электрическое соединение датчика с измерительным устройством; 2 - креплении стержня к корпусу; 3 - стержень из пьезоэлектрического материала, совершающий крутильные колебания; 4- корпус датчика; 5- исследуемая ткань.

И если плотность тканей животных близка к плотности воды и меня­ется в весьма ограниченных пределах, то сдвиговая вязкость сущест­венно изменяется при нарушении межклеточных контактов, при чрез­мерной гидратации или дегидратации тканей.

Созревание мяса проходит в несколько стадий. Сразу же после убоя мышцы, лишенные управляющих сигналов, расслабляются. Од­нако примерно через 3 ч мышечные волокна начинают сокращаться, вызывая развитие напряжения во всей системе мышц. Сокращение мышц (трупное окоченение), обусловленное распадом АТФ, достига­ет максимального развития через 10... 12 ч после убоя. Трупное окоче­нение обычно проходит через 2...3 суток.

Скорость процесса зависит от температуры, замедляясь по мере ох­лаждения мяса. При замораживании в мышечной ткани возникают кристаллы льда, рассекающие или сильно деформирующие мышечные волокна, а также нарушающие целостность клеточных мембран. При последующем размораживании из мяса выделяется сок, что приводи т к его частичной дегидратации. При хранении мяса в неподходящих усло­виях в нем могут возникнуть и развиться процессы гниения, сопровож­дающиеся изменением структуры мышечных волокон, ослаблением ме­ханической связи между ними и т. д. Консистенция мяса изменяется, и оно становиться мягким.

Рис. 5.2. Изменение вязкости мяса при хранении

Все стадии процессов, проте­кающих в мясе при созревании или хранении, имеют четко выраженные морфологические особенности, а сами процессы сопровождаются характерными изменениями вязкоупругих свойств мышечной ткани (рис. 5.2).

Следует отметить, что непо­средственно после убоя мясо раз­личных животных одного вида может существенно отличаться по своим вязкоупругим характери­стикам. Однако эти различия по­степенно уменьшаются по мере со­зревания мяса и становятся пре­небрежимо малыми через 30,,.40 ч. Чем выше начальное значение вяз­кости, тем меньше изменения вяз­кости в процессе трудного окоче­нения (табл. 5.1).

Это становился попятным, если учесть, что в момент убоя состояние животных и, следовательно, напряжение их мышц, скорость биохимиче­ских процессов и содержание АТФ в мышечной ткани могут быть раз­ным, и очевидно, что эти различия становятся пренебрежимо малыми после распада АТФ и разрушения сократительных структур.

Таблица 5.1

Наибольшие и наименьшие значения вязкости мяса кроликов в разные периоды созревания


Вязкость мясо, ПЗ

Различия между максимальными и минимальными значениями

Время после убоя, ч.

Максимальное значение

Минимальное значение

10

19

6

13

12

20

4

6

30

13

8

4

Мясо животных разных видов имеет разную начальную вязкость, которая зависит и от возраста животною, и от условий его содержа­ния и кормления. Отличаются по вязкости и мышцы разных групп одного и того же животного.

Сравнение возможностей ультразвуковой вискозиметрии с рутин­ными методами оценки качества мяса - но запаху, по прозрачности и аромату бульона, по прозрачности бульона после добавления в него CuS04 но изменению рН - показало, что сдвиговая вискозиметрия, как сама по себе, так и в комплексе с известными методами, позволяет легко и быстро оценивать качество мяса при его созревании, хранении, переработке.

Другой акустический измерительный прибор, измеряющий погло­щение поверхностных крутильных колебаний, дает возможность оце­нить качество мяса и желированных пищевых форм, проследить за про­цессом созревания мяса и формированием желеобразного состояния ря­да продуктов по их вязкоупругим свойствам.

Изменение консистенции молочных продуктов - сметаны, йогур­тов, кефира, а также сыров в процессе их приготовления и (или) хра­нения удобно отслеживать по поглощению и скорости распростране­ния поверхностных волн. Прибор с точечными датчиками (рис. 5.3), не разрушающими поверхность исследуемого объекта, позволяет даже сквозь упаковку в течение нескольких секунд определить не только сте­пень готовности различных сыров, йогуртов, сметаны и других продук­тов сходной консистенции, по и наличие в их теле посторонних вклю­чений, в том числе областей, пораженных плесенью. Кроме того, он дает возможность определить степень заполнения упаковок из непрозрач­ных материалов, например жестяных банок.

Рис. 5.3. Точечные датчики с фиксированным расстоянием между преобразователями для измерения поглощения и скорости распространения поверхностных волн:

1,6 - датчики; 2 демпфирующая прокладка; 3 обойма держателя; 4 - электрический разъем; 5 основание датчика

Для измерения вязкости в пищевой промышленности удобны ульт­развуковые вискозиметры, позволяющие непрерывно регистрировать ее изменения в технологических процессах. Эти и другие акустические приборы, предназначенные для измерения физико-химических свойств пищевых веществ и их композиций, а также состояния оборудования, например уровня заполнения бункеров, наличия механических дефектов и ответственных деталях технологических узлов, толидины органических и неорганических отложений на внутренних стенках рабочих емкостей и труб и т. д., широко применяются в пищевой промышленности.

5.3. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОЧИСТКА

Использование ультразвука позволяет не только ускорить про­цесс очистки, но и получить высокую степень чистоты рабочих по­верхностей, а также заменить ручной труд и исключить применение пожароопасных и токсичных растворителей. Процесс ультразвуковой очистки обусловлен рядом специфических явлений в жидкости, вызванных действием интенсивного ультразвука: кавитацией, энергич­ными микропотоками, акустическим давлением, звукоканиллярным эффектом. Качество очистки зависит от частоты колебаний, плотно­сти акустической энергии и формы поля, свойств моющей жидкости и прочности связи загрязняющих веществ с очищаемой поверхностью. Ультразвук значительно повышает активность микроорганизмов, ток­сических для соединений, что позволяет на один-два порядка снизить концентрацию антибактериальных препаратов при санитарной обра­ботке агрегатов машин но переработке пищевых продуктов. Ультра­звуковая очистка осуществляется, как правило, в ваннах различной емкости с встроенными в дно излучателями. Эти ванны широко при­меняются для очистки оборотной стеклянной тары, труб, сменных уз­лов машин, а также хлебопекарных и прочих поддонов и емкостного оборудования, что стало возможным благодаря разработке новых мощных и экономичных погружных преобразователей.

Специальное ультразвуковое оборудование позволяет осуществ­лять мойку зерна перед помолом или проращиванием, в течение не­скольких секунд избавиться от осадка, а также от «масок» и «сеток» на внутренней поверхности бутылок с шампанским, не меняя его потре­бительских качеств, провести санитарную очистку оборотной тары и поверхности яиц, предназначенных для использования без тепловой кулинарной обработки и т. д.

Ультразвуковая очистка поверхностей вовсе не всегда сопровожда­ется их полной санацией - освобождением от патогенной и другой мик­рофлоры. Для решения этой задачи чаще используют комбинирован­ное воздействие ультразвуком и наиболее подходящим для решения конкретной задачи веществом, обладающим бактерицидным действи­ем, При комбинированной очистке концентрацию бактерицидного ве­щества в растворе можно существенно понизить, гак как ультразвук об­ладает способностью усиливать действие тех или иных препаратов на биологические системы. Однако в ряде случаев, в частности в пищевой индустрии, считается недопустимым использование моющих или бактерицидных веществ, даже следовые количества которых могут изме­нить объективные или органолептические показатели продукта.

Особый интерес представляет проблема очистки поверхности скор­лупы куриных яиц, где нередко обнаруживаются клетки сальмонеллы, вызывающей тяжелое заболевание у людей. Наибольшей тщательности требует санация поверхности яиц, предназначенных для приготовления блюд, рецептура которых исключает тепловую кулинарную обработку.

Разработка и реализация способа обеззараживания поверхности скорлупы куриных яиц, предназначенных для использования в кулинар­ных целях, стали возможными благодаря ультразвуковым эффектам, обеспечивающим смывание с поверхностей и разрушение суспендированных в жидкости живых клеток со скоростью тем большей, чем выше плотность ультразвуковой энергии в среде. Верхний предел по мощности ограничен не только современными техническими возможностями, по и прочностью скорлупы, а также необходимостью минимизировать влия­ние ультразвука на содержимое яйца: исключить его взбалтывание, дена­турацию белка и разрушение биологически активных соединений, а так­же по возможности снизить вероятность фонофореза в яйцо загрязняю­щих или бактерицидных веществ сквозь неповрежденную скорлупу.

Для обеззараживания скорлупы яиц можно использовать стан­дартную ультразвуковую ванну (22 кГц), содержащую воду с раство­ренным в ней озоном. Слишком быстрое разрушение озона в ультразвуковом поле предотвращается легким подкислением воды в ванне соляной или уксусной кислотой. Плотность энергии ультразвука в среде составляет 5 • 104 Вт/м3. В процессе ультразвуковой обработки температура среды не должна повышаться более чем на З...4 °С.

Исследование эффективности обеззараживания, проведенное на двух наиболее стойких к внешним воздействиям штаммах сальмонелл тифимуреум и дублин, нанесенных на поверхность скорлупы в кон­центрациях, на два порядка превышающих значения, характерные для заражения в обычных условиях, показали высокую эффективность ультразвуковой очистки. Для обеззараживания кассету с яйцом пред­варительно помещают на 2 мин в подкисленный до рН 4 водный рас­твор озона (8,5 мг/л), а затем в течение последующих двух минут под­вергают действию ультразвука.

Весьма перспективно применение новых ультразвуковых техно­логий для регенерации насыпных фильтрующих материалов, напри­мер кизельгура, используемого для осветления пива, песчаных фильт­ров на станциях очистки питьевой воды и пр,


5.4. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Некоторые процессы в биотехнологии - экстрагирование, суспендирование, фильтрование и даже приготовление смесей нередко тре­буют много времени для получения качественного продукта и могут быть интенсифицированы ультразвуком.

5.4.1. Эмульгирование

Ультразвуковое эмульгирование позволяет получать высокодисперсные, стойкие, практически однородные эмульсии без добавления эмульгаторов, стабилизаторов и других химических веществ.

Эмульгирование в поле ультразвука обусловлено кавитацией, условия возникновения и развития которой зависят от параметров ультразвука - мощности, частоты, формы поля, а также состояния среды - вязкости, температуры, природы и количества растворен­ных в жидкости газов, давления. Применение ультразвуковых реак­торов с магнитострикционными или пьезокерамическими преобразователями позволяет получать практически монодисперсную эмульсию. Качество эмульсии, полученной в установках с гидроди­намическими преобразователями, ниже, но их производительность в десятки раз выше эмульгаторов с электромеханическими преобра­зователями.

Водно-масляные эмульсии, полученные с применением ультра­звука, используются в хлебопекарном производстве для смазывания поддонов, в колбасном и кондитерском производстве, при изготовле­нии косметических композиций.

Ультразвуковая гомогенизация мороженого существенно улучша­ет его вкус, а гомогенизация молока придает ему новые свойства, не­обходимые для интенсификации производства кисломолочных про­дуктов, сухого и сгущенного молока, сливок и т.д. Использование от­ходов молокоперерабатывающих заводов, отходов переработки сои, непригодного для питания человека растительного масла и некоторых других веществ позволяет с помощью ультразвуковых технологий получать заменители цельного молока для выпаивания молодняка сель­скохозяйственных животных.


5.4.2. Диспергирование

Ультразвуковое диспергирование подразумевает размельчение твердых тел в жидкой среде и происходит при воздействии ультразву­ком на суспензии твердых частиц или их агрегаты. Применение ультра­звука позволяет на несколько порядков увеличить дисперсность про­дукта по сравнению с диспергированием без применения ультразвука. Процесс диспергирования обусловлен ударными волнами, возникаю­щими при захлопывании кавитационных полостей. Скорость дисперги­рования зависит от мощности ультразвука, свойств жидкости и диспер­гируемого вещества. Эффективность ультразвукового диспергирова­ния значительно повышается, если наряду с действием ультразвука жидкость подвергнуть статическому давлению. Ультразвуковые диспергаторы-гомогенизаторы широко используются для приготовления суспензий сухих пряностей, которые значительно легче, чем порошок, равномерно вносить в пищевые формы для приготовления фруктово-ягодных пюре, гомогенизации шоколадной и пралиновой масс.

Новые конструкции ультразвуковых диспергаторов позволяют существенно повысить производительность процессов с одновремен­ным снижением энергетических затрат.

5.4.З. Экстрагирование

Экстракция - один из наиболее распространенных методов, ис­пользуемых в процессе получения биологически активных веществ из растительного или животного сырья. Все процессы экстракции лими­тирует диффузия на границе раздела фаз через диффузионный слой с градиентом концентраций экстрагируемого веществу. Использование перемешивающих устройств не дает существенного улучшения меж­фазного массопереноса.

Несмотря на бурное развитие производства синтетических пище­вых ароматизаторов, вкусовых добавок и нутрицевтиков, еще очень многие биологически активные вещества получают из природного растительного или животного сырья.

Экстрагирование биологически активных веществ наиболее про­должительная стадия переработки сырья. Традиционные методы экс­тракции нередко занимают часы, сутки или даже педели. Использование ультразвука позволяет значительно ускорить процесс экстракции, уве­личить выход и снизить себестоимость экстрагируемого вещества, улуч­шить условия труда и повысить его производительность. Однако увели­чение мощности и размеров излучателей традиционной конструкции (стержневого или мембранного типа) приводит к возрастанию неодно­родности ультразвукового поля и сильной кавитации в отдельных зонах поля излучения, обусловливающей возникновение в жидкости химиче­ски активных частиц, ударных волн и микропотоков с высокими градиентами скоростей. В этих условиях наблюдается инактивация многих биологически активных веществ; энзимов, витаминов и т. д.

Для совершенствования технологии и испытания ультразвуково­го оборудования необходим дешевый субстрат, позволяющий модели­ровать основные особенности процесса. Хорошей моделью для таких исследований являются пшеничные отруби, богатые крахмалом. Час­тицы отрубей с хорошим приближением можно рассматривать как двумерный источник высокомолекулярных труднорастворимых ком­понентов (тонкие чешуйки с удельной поверхностью, мало изменяю­щейся в процессе экстракции макромолекул) и пренебречь измене­ниями условий диффузии в твердой фазе.

Основными извлекаемыми компонентами являются биополиме­ры - белки и углеводы, а также водорастворимые витамины. Крахмал повсеместно распространен в растительных материалах и представлен амилозой и труднорастворимым амилопектином, Пшеничные отруби содержат 60 % углеводов (в основном крахмала), 15 % белка, У % клет­чатки, 12 % воды, остальное - липиды и соли.

В реакторе с лопастной мешалкой при температуре 75...800C в нейтральной среде концентрация крахмала в жидкой фазе в течение 15...60 мин остается постоянной (и соответствующей 10...11 % массы отрубей). Добавление щелочи до рН 9,5-10,0 позволяет увеличить выход компонентов до 52…57%.

В ультразвуковом реакторе, конструкция которого исключает обра­зование зон коллективных кавитационных явлений, значительно повы­шающих опасность инактивации биологически активных веществ, при экстракции водой в течение нескольких мину т из отрубей извлекается 59...60% сухих веществ. Эта вели­чина практически совпадает с вели­чиной углеводов в отрубях. При повышении рН среды до значений 7,5-8,0 из отрубей экстрагируется до 70,5 % сухих веществ, что связа­но с дополнительной экстракцией белков (рис. 5.4),

Увеличение скорости экстрак­ции почти вдвое объясняется изме­нением диффузионного сопротивле­ния пограничного слоя, вязкость ко­торого зависит от растворимости экстрагируемых макромолекул и их межмолекулярного взаимодействия.

Рис. 5.4. Экстракция биополиме­ров из пшеничных отрубей:

1-е механическим перемешиванием (рН 6,5); 2 - в стандартной ультразвуковой ванне (рH 6,5); 3 - в ультразвуковом реакторе (рН 6,5); 4 - в ультразвуковом реакторе (рН 7,5 - 8,0)

В ультразвуковом поле наряду с крупном масштабными акустическими течениями у границ раздела фаз возникают мелкомасштабные вихревые потоки, характеризующиеся зна­чительными градиентами скоростей, диссипацией энергии и локальным нагревом жидкости. Эти факторы ускоряют диффузию макромолекул в результате турбулентной диффузии и снижения вязкости раствора.

В эфиромасличном и пищевом производствах, в производстве со­ков из плодов и ягод применение ультразвука весьма перспективно, так как ни одно из этих производств не обходится без извлечения из природного сырья физиологически активных соединений, пищевых красителей, масел, отдушек, Сахаров и т. д.

Ультразвук, разрушая и гомогенизируя ткани, облегчает извлечение из них тех или иных ценных веществ. Обработка мощным ультразвуком рыбного фарша, например, существенно увеличивает выход рыбьего жира, воздействие на семена масличных культур увеличивает выход раститель­ного масла, использование ультразвука перед прессованием винограда в ряде случаев на 10 % увеличивает отдачу сока и снижает энергетические затраты на его отделение, усиливается и интенсивность окраски сока при прессовании красных сортов винограда. Вкусовые качества виноградного сока при этом не меняются. В пищевой промышленности ультразвуковые экстракторы применяют, например, для приготовления экстрактов чер­ного перца и других пряностей, используемых в производстве мясных и других продуктов, пищевых красителей и т. д.

Возможности существенною повышения эффективности экс­тракционных технологий и аппаратов в результате применения ульт­развука далеко не исчерпаны. При этом снижается потребность в химических добавках, а новые принципы конструирования излучателей уменьшают вероятность инактивации БАВ.

Следует отметить, что помимо процессов экстракции ультразвук способен значительно ускорять и процесс пропитки экстрагентом рас­тительного и животного сырья, что позволяет интенсифицировать процесс замачивания предварительно высушенного сырья, посола мя­са, обработки рыбы в коптильной жидкости и т, д.

5.4.4. Осветление

Для осветления напитков, растительных масел, других жидких пищевых продуктов широко применяется фильтрование, эффектив­ность которого существенно повышается под влиянием ультразвука, ускоряющего транспорт сквозь пористые материалы. Кроме того, ис­пользуя способность ультразвука удалять с поверхностей различные отложения, можно создать самоочищающиеся ультразвуковые фильтры с относительно низким сопротивлением течению фильтрую­щимся средам, не повышающимся в процессе эксплуатации.

Самоочищающийся фильтр, принцип действия которого основан на интенсификации массопереноса в ультразвуковом поле, позволяет эффективно разделять жидкости и взвешенные в них частицы нерас­творимых веществ. Конструкция фильтра дает возможность осущест­влять ускоренный непрерывный процесс фильтрования, обеспечивать самоочищение фильтрующего элемента акустическими микропотока ­ми, эвакуировать отделяемую фракцию твердых частиц, повышать экономическую эффективность производства.

Интенсификацию фильтрования обычно осуществляют, управляя образованием осадка. Однако, если не осадок, а фильтрат представля­ет собой производственную ценность, в ряде случаев удобно восполь­зоваться способами, предотвращающими образование осадка. Ультра­звуковому воздействию здесь нет альтернативы.

В идеализированном случае скорость фильтрования определяют по формуле

где V- объем фильтрата;

S- площадь фильтрующей перегородки;

t - время;

 - разность давлений по обе стороны фильтрующей перегородки;

 - вязкость жидкой фазы;

 - гидродинамическое сопротивление слоя осадка;

Рис. 5.5. Ультразвуковой друк-фильтр:

1 - выход фильтрата; 2 - вход фильтруемой жидкости; 3- излу­чатель ультразвука; 4 - корпус: друк-фильтра; .5 - фильтрующий элемент

 - гидродинамическое сопротивление фильтрующей перегородки.

Очевидно, что  меняется в процессе фильтрования. И случае по­степенного закупоривания пор  фильтра пропорционально объему прошедшей через фильтр жидкости в степени 3/2.

Ультразвуковая интенсификация фильтрования наиболее наглядно иллю­стрируется на друк-фильтре, простом по конструкции, но с высокими требова­ниями к качеству фильтрата (рис. 5.5). Эффект особенно очевиден, если задача заключается в предотвращении закупо­ривания пор фильтрующего элемента и ускорении процесса стерилизующего фильтрования инъекционного медицинского или ветеринарного препарата, представляющего собой раствор ком­плекса лекарственных веществ.

При фильтровании без ультразвука под действием разности давлений на фильтрующей перегородке 105. На ско­рость процесса за 20...30 мин уменьшается до пренебрежимо малых значений. За это время сквозь фильт­рующую перегородку диаметром 32 см, типа «Владипор», с размерами пор в 0,2 мкм проходит не более 2...3 л раствора.

Под действием ультразвука с частотой 35 кГц и с плотностью энер­гии в объеме друк-фильтра 2…4 кВт/м3 начальная скорость фильтрова­ния увеличивается примерно вдвое и остается на том же уровне в тече­ние 8 ч, что позволяет за смену фильтровать около 200 л суспензии. Фармакологическая активность препарата в результате его обработки ультразвуком не меняется, а прошедшая ультразвуковой фильтр жид­кость полностью обеззараживается и отвечает требованиям, предъявляемым к инъекционным препаратам.

Ультразвуковое поле в объеме друк-фильтра благодаря особой кон­струкции излучателя организовано так, чтобы фильтрующий элемент оказался вне зоны кавитации, а микропотоки активно смывали образую­щийся па фильтрующей перегородке осадок. В результате такого воздей­ствия гидродинамическое сопротивление осадка   остается равным ну­лю в течение всего процесса фильтрования, а сопротивление фильтрую­щей перегородки  уменьшается благодаря снижению диффузионных ограничений у поверхности фильтрующей перегородки.

Ультразвуковая обработка фруктовых соков и вин также способ­ствует их осветлению, вызывая коагуляцию взвешенных органиче­ских частиц и появление большою числа центров кристаллизации, что приводит к сокращению процесса выпадения, например, избытка винного камня с 12-15 суток до 6..10 ч.

5.4.5. Сушка


Сушка - один из распространенных и весьма энергоемких процес­сов в пищевой промышленности. Применение ультразвуковых мето­дов и оборудования в ряде случаев позволяет без существенного повышения температуры ускорить отделение влаги из пористых мате­риалов и суспензий.

Ускоренное удаление влаги при ультразвуковой сушке обеспечи­вается снижением диффузионного сопротивления в объеме и у по­верхности высушиваемого материала, мощными турбулентными газо­выми потоками у поверхности материала, вытряхивающими и унося­щими микрокапли жидкости, а также толщины пограничного слоя. Эвакуация отделенной в виде паров и микрокапель жидкости осуще­ствляется газовым потоком. В результате применения технологии ультразвуковой сушки удастся снизить температуру процесса до зна­чений, обеспечивающих сохранность биологически активных ве­ществ, увеличить скорость процесса сушки, уменьшить потери высу­шиваемого продукта. Оборудование для ультразвуковой сушки легко адаптируется к традиционным сушильным установкам с виброкипящим слоем, распылительным, тоннельным, барабанным и другим, существенно повышая их производительность и экономическую эффек­тивность. Ультразвуковую сушку применяют в производстве лекарств, биологически активных добавок к нище, солода и т. п.

5.4.6. Очистка сточных вод

Сточные воды многих пищевых производств содержат вещества, которые могут быть использованы в качестве корма для сельскохозяй­ственных животных. Применение ультразвука в ряде случаев сущест­венно облегчает выделение этих веществ. После обработки ультразву­ком, например из сточных вод рыбоперерабатывающих комбинатов, удастся извлечь значительное количество кормового белка и жира, что не только позволяет получить ценные кормовые вещества, но и ус­корить дальнейшую очистку сточных вод.

Стимуляция сообществ микроорганизмов ультразвуком низкой интенсивности в бассейнах биологической очистки интенсифицирует их обмен веществ, увеличивает скорость биосинтеза биологически ак­тивных соединений, ускоряет адаптацию клеток к новым условиям. Так, стимуляция ультразвуком клеток плесени Aspergilus niger; играю­щих важную роль в процессе очистки воды, в полтора раза ускоряет их развитие» увеличивает скорость утилизации веществ в сточных во­дах, например, рыбоперерабатывающих комбинатов. Развивающаяся в бассейнах плесень выделяет мощные ферменты - целлюлазу и целлобиозу, разрушающие клетчатку. Выделяющаяся при этом глюкоза полностью используется клетками плесени, превращающими ее в уг­лекислый газ и воду. Параллельно усиливается превращение серово­дорода и серы в безвредные сульфаты, В процессе жизнедеятельности клетками плесени Aspergilus niger выделяются лимонная кислота и не­которые другие органические кислоты, создающие неблагоприятную для развития бактериальных клеток среду. Усиливается и выработка антибиотиков, которые вместе с органическими кислотами быстро снижают в сточной воде количество бактерий, в том числе болезне­творных. Клетки той же плесени после обработки ультразвуком ак­тивно концентрируют в себе соединения тяжелых металлов.

В ряде случаев мощный ультразвук применяется для ускорения окислительных процессов в сточных водах, снижения общей обсемененности, для томогенизации осадка и т. д.

5.5. УЛЬТРАЗВУК В ПРОИЗВОДСТВЕ КОРМОВ (ПРЕДПОСЕВНАЯ СТИМУЛЯЦИЯ СЕМЯИ УЛЬТРАЗВУКОМ)

Рациональное кормление и хорошее содержание - лучшие спосо­бы профилактики многих заболеваний сельскохозяйственных живот­ных. В оптимизации условий содержания ультразвук практически не применяется, но увеличить количество кормов и повысить его качест­во с помощью ультразвуковых методов в ряде случаев несложно и эко­номически весьма выгодно. Примером может служить приготовление вышеупомянутого заменителя цельного молока.

Один из путей улучшения кормовой базы - увеличение урожай­ности растений, составляющих рацион животных. Добиться этого можно, повышая посевные качества семян, для чего перед посевом их обрабатывают химическими веществами, подвергают механиче­скому или термическому воздействию, влиянию ионизирующих и неионизирующих излучений. Воздействуют на них и ультразвуком самых разных частот и интенсивностей. Обычно семена обрабатыва­ют ультразвуком в ванне с водой или водными растворами различ­ных веществ. Наличие водной среды позволяет избежать потери аку­стической энергии при ее передаче от преобразователя к семенам, но создает определенные трудности в воспроизведении и интерпрета­ции результатов.

Многих недостатков использованных ранее методов предпосев­ной обработки лишен разработанный недавно, но уже нашедший при­менение в практическом растениеводстве способ ультразвуковой сти­муляции семян в суховоздушном состоянии.

Первые же случаи применения этого метода позволили обнару­жить еще одну возможную причину получения исследователями раз­ных результатов. Оказалось, что эффект повышения урожайности рас­тений после предпосевной обработки семян существенно зависит от их биологического качества. Элитные семена мало реагируют на предпо­севную стимуляцию, тогда как семена низкого качества после ультра­звуковой обработки дают 30...50 %-ную прибавку урожая.

Под влиянием ультразвука на поверхности сухих семян образуют­ся микроповреждения характерных размеров 10-5...10-6 м). Их вели­чину и количество можно изменять, регулируя режим обработки. Эти микроповреждения снижают механическую прочность семенной обо­лочки и облетают газовлагообмен.

Прочная и плотная оболочка, созданная природой для сохранения семян в экстремальных условиях, в определенной степени затрудняет их прорастание и препятствует интенсивному влагогазообмену. После ультразвуковой обработки семена быстро набухают и прорастают раньше обычного, растения лучше развиваются и дают более высокий урожай семян и зеленой массы. Растения, выросшие из семян, обрабо­танных ультразвуком, более устойчивы к различным заболеваниям и неблагоприятным условиям внешней среды. Поэтому химическое протравливание семян может быть исключено из технологического процесса их подготовки к севу.

Ультразвуковая стимуляция семян весьма эффективна для кормовых трав и злаковых. Обработка семян корнеплодов приводит к буйному росту надземной части растений и уменьшению массы корнеплодов. Используют ультразвук для повышения урожайности зерно­вых (пшеницы, ржи, овса, тритикале - гибрида пшеницы и ржи); огородных (огурцов, помидоров), а также декоративных и других рас­тений, Во всех случаях эффект сохраняется, но крайней мере, во вто­ром, дочернем поколении.

5.6. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В МЕДИЦИНСКОЙ И ВЕТЕРИНАРНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

Ультразвуковые методы весьма перспективны для применения в биотехнологии, так как в зависимости от характера поставленной за­дачи позволяют, подбирая параметры ультразвукового воздействия, интенсифицировать или подавлять те или иные физико-химические и биологические процессы, увеличивать выход конечного продукта и уменьшать расход сырья, сделать отдельные процессы производства более технологичными и создать такие, которые без применения ульт­развука были бы просто невозможны.

5.6.1. Ультразвук в криобиологии и криоконсервировании

Давно известно, что при понижении температуры замедляются биохимические процессы, лучше и дольше сохраняются биологические ткани. Поиск способов длительного хранения жизнеспособных клеток и тканей привел к разработке ряда новых методов их консервирования холодом и даже появлению новой науки - криобиологии. Успехи крио­биологам открывают широкие возможности сохранения генофонда ди­ких и сельскохозяйственных животных и растений, консервации и длительного хранения их репродуктивных клеток, сохранения клеток кро­ви и костного мозга, а также отдельных тканей и даже органов для трансплантации.

Охлаждение живых клеток до температур ниже 0°С сопровождается замораживанием внутри- и внеклеточной воды, что приводит к образо­ванию в клетке и вне ее кристаллов льда, возникновению механических напряжений, резкому увеличению концентрации растворенных солей в результате вымораживания чистой воды, изменению рН среды. Эти про­цессы могут привести к нарушению структурной целостности клеток, нарушению их функций, изменению транспорта веществ через клеточные мембраны и, следовательно, к изменению состава внутриклеточной среды. Для защиты клеток от отрицательных воздействий при замора­живании используют некоторые вещества - криопротекторы, - сущест­венно уменьшающие повреждения клеточных и тканевых структур.

Основные нарушения в клетках при криоконсервировании обу­словлены механическими напряжениями, возникающими в биологи­ческой среде при замораживании. Следовательно, криорезистентиость клеток тем выше, чем выше их устойчивость к механическим воздействиям, а механическую резистентность легко оценить, исполь­зуя метод ультразвуковых цитолизограмм (см. § 2.4).

При добавлении криопротектора к среде физико-химические свой­ства раствора стабилизируются не сразу и продолжают меняться в те­чение нескольких часов или даже суток до тех пор, пока раствор не ста­нет гомогенным. Воздействие низкочастотным ультразвуком (35 кГц) мощностью 15...100 Вт существенно ускоряет растворение криопротек­тора в жидких средах и в течение нескольких минут стабилизирует па­раметры раствора. Даже отстоявшиеся в течение недели растворы криопротективиых веществ, например глицерина или полиэтиленоксида, после ультразвуковой обработки становятся более гомогенными, о чем свидетельствуют результаты рентгеноструктурного анализа их замороженных образцов. В разбавителе спермы ультразвук диспергирует ле­цитин с сохранением его ламелярной структуры, что существенно улучшает качество разбавителя, повышает его защитные свойства.

Клетки и ткани, помещенные в раствор криопротектора, должны выдерживаться в нем до тех пор, пока не будет достигнуто насыщение. Время эквилибрации, т. е, период, в течение которого криопротекторы насыщают клетку, также может быть сокращено с использованием ультразвука, так как, увеличивая проницаемость клеточных мембран, ультразвук ускоряет процесс переноса веществ через эти мембраны.

Ультразвук может быть полезен и для определения степени насы­щения клеток в суспензии, а также тканей и органов криопротектором. При перфузии изолированного органа перед низкотемпературной консервацией раствором криопротектора измеряют и сравнивают скорости ультразвука в подводимом к органу и оттекающем от него растворе (рис. 5.6). Когда происходит насыщение, концентрация криопро­тектора и, следовательно, скорость ультразвука в подводимой и отводи­мой жидкости уравниваются.

Рис. 5.6. Ультразвуковой метод контроля степени насыщения

почки криопротектором: V1 - скорость ультразвука на входе, У2 - скорость ультразвука на выходе

При замораживании подготов­ленных для криоконсервирования образцов подбирают такие режимы охлаждения, чтобы образующиеся кристаллы льда как можно меньше травмировали клеточные мембраны. Если жидкость, не содержащую заро­дышей кристаллизации, медленно охлаждать, то она может переохла­диться, оставаясь в жидком со­стоянии при температурах ниже точки замерзания. Этот нежела­тельный для криоконсервирования эффект можно предотвратить, замораживая образцы в ультразву­ковом поле (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Влияние ультразвука (0,88 МГц) на степень переохлаж­дения растворов криопротекторов при их замораживании

В данном случае влияние ультразвука обу­словлено увеличением количества центров кристаллизации. В ре­зультате в среде формируется множество кристаллом, размеры которых сравнимы с размерами клетки. Кроме того, кристаллы льда растут с большим числом разветвлений, что также способст­вует выживанию клеток.

В охлажденном растворе, прежде всего, начинает вымерзать чистая вода, а в незамерзшей части жидкости быстро возрастает концентрация солей, и раствор становится гипертоническим. В та­кой среде клетки испытывают существенные изменения: они обез­воживаются, меняется соотношение ионов во внутриклеточной сре­де. Интенсивно перемешивая жидкую среду как внутри клеток, так и вне их, ультразвуковые микропотоки способствуют равномерно­му распределению солей и уменьшают вредные последствия пребы­вания клеток в гипертоническом растворе.

Качество спермы сельскохозяйственных животных, заморожен­ной в ультразвуковом поле (880 кГц; 0,1...0,2 Вт/см2), после размора­живания значительно выше, чем качество спермы, криоконсервированной без ультразвукового воздействия. Средняя активность сперма­тозоидов увеличивается на 1-2 балла, повышается абсолютный показатель живучести и удлиняется промежуток времени, в течение которого сперматозоиды остаются способными выполнять свои био­логические функции.

Ультразвуковая обработка эритромассы, защищенной криопротектором (глицерином или полиэтиленоксидом), также способствует повышению криорезистентности клеток.

Клетки костного мозга, содержащие ядра, так же, как и безъядерные эритроциты, лучше сохраняются при криоконсервировании с использо­ванием ультразвука. Сохранность клеток повышается по мере увеличе­ния интенсивности ультразвукового воздействия до 0,8...0,9 Вт/см2. Ультразвук с частотой 880 кГц эффективнее ультразвука с частотой 2640 кГц. В первом случае различие в сохранности клеток в контрольных и опытных образцах составляет 12 %, а во втором -9%. Ультразвук с ин­тенсивностью, превышающей 0,9 Вт/см2, снижает сохранность клеток. Эффект объясняется тем, что наряду с положительным воздействием на процессы криоконсервирования, ультразвук при высоких интенсивностях способен разрушать клетки в суспензии.

Процесс размораживания при криоконсервировании биологиче­ского материала не менее важен, чем процесс замораживания, так как физико-химические процессы в обоих случаях сходны, что позволяет и здесь успешно использовать ультразвуковое воздействие.

Размораживание в ультразвуковом поле осуществляется при воз­действии ультразвуком на контейнеры с замороженными клеточными суспензиями, помещенными в водяную баню с температурой 40...45 0С. Оттаивание продолжают до тех пор, пока температура сус­пензии не достигнет 5...10 0С. Размораживание в ультразвуковом поле способствует повышению сохранности клеток на 20…25%. Эффект обусловлен не только микротечениями, ускоряющими теплообмен и снижающими температурные градиенты как внутри, так и снаружи контейнеров, но и действием ультразвука, стимулирующим репаративные процессы в клетках.

В последнее время растет интерес к проблеме криоконсервирования эмбрионов человека и животных. Решение этой проблемы наталки­вается на ряд трудностей. Так, исследование возможности криоконсервирования ооцитов свиньи выявило их высокую криочувствительность. Поиск путей сохранения ооцитов при замораживании привел к использованию ультразвука низких интенсивностей для повышения их сохранности. Однако лабильные к замораживанию ооциты оказались чувствительными к ультразвуковому воздействию. Наиболее устойчи­вы мелкие, незрелые ооциты без четко выраженных гранул в цитоплаз­ме. Более зрелые клетки средних размеров, характеризующиеся отно­сительно большой растяжимостью, имеют повышенную чувствитель­ность к ультразвуку.

Чаще всего наблюдается удаление клеток лучистого венца, неред­ки разрывы в плазматической мембране, деформация ооцитов, час­тичная дегидратация и другие нарушения. Обработка ультразвуком с интенсивностью 0,05...0,1 Вт/см2 в течение 0,5 мин в процессе эквилибрации с криопротектором, а также во время размораживания, уве­личивает морфологическую сохранность законсервированных ооци­тов до 65 %, по сравнению с 45 % в контрольных образцах, и способст­вует их дальнейшему развитию в культуре.

Анализ многочисленных данных о влиянии низких температур и ультразвука на ткани и клетки в суспензии свидетельствует о значи­тельной роли цитоплазматических мембран в формировании ряда ре­акций биологических систем па ультразвуковое и криовоздействие. Мембранные структуры способны по-разному реагировать на действие каждого фактора, в зависимости от его параметров, и регулирующий эффект комбинированного воздействия зависит от км о, суммируются ли эффекты их влияния или имеет место частичная или полная взаимокомпенсация.

5.6.2. Влияние ультразвука на биосинтез интерферона

Воздействие ультразвуком низких интенсивностей на клетки в суспензии или культуре может обусловить стимуляцию процессов их жизнедеятельности. Известно, например, что в относительно мягких условиях ультразвуковой обработки (0,05...0,5 Вт/см2; 0,88 МГц; 30 с) ускоряется процесс синтеза соединительно тканого белка в культуре фибробластов.

Представляет практический интерес возможность стимуляции синтеза и ряда других белков в клетках, в частности биосинтеза интер­ферона в индуцированных вирусом лейкоцитах.

Интерферон синтезируется в клетках организма и в культуре тка­ней в ответ на воздействие природных и искусственных индукторов - вирусов, эндотоксинов, внутриклеточных паразитов, высоко- и низко- молекулярных соединений. Помимо антивирусной активности, ин­терферон проявляет способность подавлять размножение быстроделящихся клеток, обладает иммуномодулирующим действием. Он эф­фективен как радиозащитное и антитоксическое средство.

Интерферон, будучи важнейшим неспецифическим фактором по­вышения резистентности, продуцируется почти сразу после попада­ния индуктора биосинтеза, например вируса, в организм, однако есте­ственно образующегося интерферона часто оказывается недостаточно для предупреждения развития болезни. Воздействие ультразвуком те­рапевтических интенсивностей на область локализации патологиче­ского процесса, очевидно, приводит к стимуляции биосинтеза интер­ферона. Не исключено, что именно этот эффект лежит в основе ульт­развуковой физиотерапии вирусных кератитов.

При ряде патологий весьма эффективно введение в организм эк­зогенного интерферона, полученного либо в результате химического синтеза, либо генно-инженерными методами, либо при его биосинтезе в культуре лейкоцитов, индуцированных вирусом.

Для получения наиболее качественного (лейкоцитарного) интер­ферона лейкомассу из свежей крови фракционируют, обрабатывают гомологичным интерфероном (проводят прайминг) и индуцируют биосинтез интерферона каким-либо вирусом, например вирусом Сендай или вирусом болезни Ньюкасла. После этого клетки помещают в специально подобранную среду и выдерживают при температуре 37 °С, постоянно перемешивая. Через 16...8 ч клетки отделяют и вы­деляют из среды интерферон, активность которого можно оценить по его способности защищать клетки в культурах тканей от цитопатического действия вируса.

Воздействие ультразвуком с частотой 880 кГц и интенсивно­стью 0,05...0,6 Вт/см2 в течение 130...300 с на суспензию лейкоци­тов до прайминга или после него, во до вирусной индукции, не приводит к заметному изменению ко­личества синтезированного интер­ферона. Ультразвук с интенсивно­стью, превышающей 0,6 Вт/см2, подавляет процесс биосинтеза.

Воздействие ультразвуком с ин­тенсивностью от 0,01 до 0,05 Вт/см2 на лейкоциты после вирусной ин­дукции практически не влияет ни па скорость биосинтеза интерферона, ни па жизнеспособность клеток, оцениваемых по их окрашиваемости красителем трипановым синим. После обработки ультразвуком с интен­сивностью ОД Вт/см2 в суспензии обнаруживается около 10 % погибших клеток. Дальнейшее увеличение интенсивности ультразвука приводит к экспоненциальному росту числа нежизнеспособных (прокрашиваемых) клеток, а после обработки ультразвуком интенсивностью 0,7 Вт/см2 в суспензии остается 65 % жизнеспособных лейкоцитов (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Снижение числа жизне­способных клеток (лейкоцитов) в суспензии вод воздействием ультразвука

Существенное увеличение скорости гибели клеток при интенсивностях ультразвука, превышающих 0,7 Вт/см2, обусловлено кавитаци­ей, порог возникновения которой зависит от объемной концентрации клеток в среде, в разбавленных суспензиях совпадает с поротом кави­тации в воде (0,3 Вт/см2) и становится весьма значительным, если объем частиц в суспензии превышает 2 %, Согласно теоретическим оценкам и экспериментальным данным, порогу кавитации в суспен­зии лейкоцитов, содержащей 3 ·106 кл./см3, соответствует интенсив­ность ультразвука 0,6 Вт/см2.

Облучение ультразвуком суспензии лейкоцитов в течение 5 мин с интенсивностью от 0,05 до 0,6 Вт/см2 приводит к увеличению на 30% количества интерферона, синтезируемого жизнеспособными клетками. Дальнейшее увеличение интенсивности ультразвука обусловливает рез­кое снижение количества синтезированного интерферона (в пересчете на жизнеспособные клетки). Ультразвук, интенсивность которого превыша­ла 1 Вт/см2, приводил к практически полному подавлению биосинтеза (рис. 5.9), хотя, как было указано выше, в этих условиях около половины исходного количества клеток в суспензии не прокрашивается трипановым синим, т. е. они являются, суда по этому, вполне жизнеспособными.

Рис. 5.9. Влияние ультразвука на количество интерферона, син­тезированного лейкоцитами в суспензии (в расчете на коли­чество жизнеспособных клеток)

Подавление биосинтеза интерферона в лейкоцитах при интенсивностях ультразвука, превышающих порог кавитации, очевидно, обуслов­лено процессами, сопровождающими кавитацию, например интенсивными микропотоками, возникающими как вне, так и внутри клеток. Эти микропотоки вызывают грубое нарушение внутриклеточной архитектоники, что приводит к подавлению биохимиче­ских реакций, в частности биосинте­за интерферона.

Факт увеличения количества ин­терферона, синтезируемого лейкоци­тами в суспензии, не поддается однозначной интерпретации.

Увеличение интенсивности ультразвука в интервале от 0,1 до 0,6 Вт/см2 повышает скорость биосинтеза интерферона, но одновре­менно снижает число жизнеспособных клеток. Поэтому суммарный эффект невелик.

Обычно клетки, единожды использованные для синтеза интерфе­рона, выбрасывают, гак как при повторном использовании они дают незначительное количество препарата. Однако после трехминутного ультразвукового воздействия на «отработанные» клетки наблюдается стимуляция повторного синтеза интерферона (табл. 5.2). Максималь­ный выход препарата может быть получен при интенсивности ультра­звука 0,01...0,2 Вт/см2, Ультразвук с интенсивностью выше 0,7 Вт/см2 резко ингибирует повторный синтез интерферона.

Таблица 5.2

Зависимость выхода интерферона (по активности препарата в международных единицах) oт интенсивности ультразвукового воздействия на суспензии однократно использованных для биосинтеза лейкоцитов

Интенсивность ультразвука, Вт/см2

0

0,05

0,1

0,2

0,4

0,7

1,0

2,0

Титр (активность) интерферона, МЬ

150

1200

1200

1200

900

900

150

150

Применение ультразвука для стимуляции позволяет на 20...25 % увеличить выход продукта и делает практически целесообразным по­вторное использование лейкоцитов.

Полученный очищенный интерферон хранят либо к виде раствора, либо в виде лиофильно высушенного препарата. При длительном хра­нении активность интерферона медленно снижается, что обусловлено агрегацией его молекул. Попадая в организм, интерферон связывается со специфическими рецепторами клеточной поверхности. Отдельная молекула или агрегат как одно целое могут связаться лишь с одним ре­цептором. Поэтому агрегация приводит к снижению количества действующих единиц, что равносильно снижению активности препарата.

Ультразвуковая обработка растворов интерферона с интенсивно­стью 1,0... 1,5 Вт/см2 и течение 5...10 мин увеличивает антивирусную ак­тивность интерферона в 2-4 раза. Судя по результатам электрофореза препаратов интерферона в акриламидном геле, ультразвуковое воздей­ствие приводит к снижению концентрации в растворе частиц с молеку­лярной массой 120-140 тыс. дальтон и увеличению частиц с молеку­лярной массой 60-70 тыс. дальтон и 30-35 тыс. дальтон, что соответст­вует димерам и мономерам интерферона.

Клинические испытания показали целесообразность ультразвуко­вой обработки интерферона перед использованием для лечения ви­русных заболеваний.

5.6.3. Стимуляция роста клеток в культуре

Воздействие ультразвуком с частотой 0,88 МГц и интенсивно­стью 0,02...0,08 Вт/см2 в течение 5…30 с способствует значительно­му приросту клеточной массы. Так, в контрольном опыте количе­ство клеток перевиваемой культу­ры почки теленка через трое суток увеличивается с 8 · 104 кл./мл до 3,1 · 105 кл./мл. Индекс пролифе­рации при этом составляет 3,8. Если же исходный материал в те­чение 10 с обработать ультразву­ком с интенсивностью 0,05 Вт/см2 (0,88 МГц), то индекс пролифера­ции возрастает до 9,0, а концен­трация клеток за трое суток уве­личивается до 7,2 · 105 кл./мл.

Аналогичные результаты полу­чены и на других культурах, в част­ности на культурах клеток почки хомячка. Эффект стимуляции для различных культур качественно одинаков. Он зависит от интенсив­ности ультразвука и времени воз­действия (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Зависимость прироста количества клеток и культуре (па третьи сутки) от времени и интенсивности ультразвуковой стимуля­ции клеток перед их введением в

культуру: 1-5с, 2-10с,3- 30с, 4-35с, 5-45с


5.6.4. Предынкубационная обработка яиц ультразвуком и введение лекарственных веществ через неповрежденную скорлупу

Используя ультразвуковые методы для предынкубационной обра­ботки яиц, можно получить ряд полезных для птицеводства эффектов,

Предынкубационная очистка поверхности яиц в низкочастотных 22...44 кГц ультразвуковых ваннах длится 30...60 с. Качество белка при этом не меняется, а уничтожение микрофлоры на скорлупе способству­ет увеличению выводимости цыплят. Следует, однако, отметить, что чрезмерное повышение мощности ультразвука, способствующее уско­рению очистки и повышению ее качества, может привести к наруше­нию процесса развития эмбрионов, снижению выводимости, увеличе­нию количества цыплят с врожденными уродствами.

Кратковременное воздействие высокочастотным ультразвуком (880 кГц) невысокой интенсивности на яйцо перед инкубацией приво­дит к увеличению выводимости цыплят (табл. 5.3).

Таблица 5.3

Выводимость цыплят (в процентах) после воздействия высокочастотным ультразвуком на яйцо перед инкубацией в течение 10 с (300 яиц на каждый опыт)

Контрольный образец

Выводимость цыплят, % при интенсивности ультразвука, Вт/см2

0,05

0,4

0,7

82±2

83±2

88± 2

87±2

Наилучшие результаты достигаются при интенсивности ультра­звука 0,4 Вт/см2 и десятисекундной длительности обработки. Следует отметить, что, чем выше инкубационное качество яиц, тем меньше проявляется стимулирующее действие ультразвука. Очевидно, при низкой исходной выводимости значительным оказывается резерв рос­та и развития, который и реализуется при неспецифическом ультра­звуковом воздействии.

В практическом птицеводстве для профилактики заболеваний и массовой гибели цыплят в инкубационное яйцо вводя т различные ле­карственные вещества, в том числе антибиотики. Самый простой и распространенный способ введения антибиотиков - прокалывание скорлупы шприцем, последующее введение раствора в воздушную ка­меру и герметизация яйца. Этот способ позволяет легко дозировать лекарство, но требует строгой стерильности и практически не поддается автоматизации.

Известно, что ультразвук уско­ряет транспорт многих веществ че­рез мембраны и пористые перего­родки и широко используется в ме­дицине для введения лекарств в организм через неповрежденные покровные ткани, а также в про­мышленности для ускорения про­цессов пропитки ряда материалов.

Если на скорлупу нанести лекарственное вещество, например антибиотик ампициллин, или поместить яйцо в раствор этого анти­биотика с концентрацией, в 10 раз превышающей концентрацию рас­твора, используемого для введения шприцем, то даже через десятки минут его содержание в яйце будет пренебрежимо мало. В этом легко убедиться по отсутствию лизиса - разрушения клеток в тест-культуре Sarcina lutea после добавления к ней содержимого яйца.

Если же опустить яйцо в этот же раствор антибиотика острым концом всего лишь на 1/5 но высоте и воздействовать ультразвуком, как это пока­зано на рис. 5.11, то в содержимом яйца обнаруживается ампициллин.

Рис. 5.11. Фонофорез лекарствен­ных веществ в яйцо:

1 - яйцо; 2 кювета; 3 - раствор лекар­ственного вещества; 4 - преобразователь ультразвука

Под влиянием ультразвука (880 кГц) антибиотик активно транс­портируется в яйцо через скорлупу и подскорлупную мембрану, нака­пливаясь в его содержимом в концентрации, сравнимой с концентрацией, полученной при введении раствора в воздушную камеру шпри­цем через прокол в скорлупе (табл. 5.4)

Таблица 5.4

Оценка содержания ампициллина в содержимом яйца по величине зон лизиса клеток в культуре Sarcina lutea

Способ введения антибиотика

Диаметр зон лизиса, мм

Шприцем через прокол в скорлупе 0,2 мл раствора с концентрацией 5 ·102 Ед./мл

12,0

Нанесение на поверхность скорлупы раство­ра с концентрацией 5 · 103 Ед./мл

Нет лизиса

Введение ультразвуком сквозь скорлупу из раствора с концентрацией 5 · 103 Ед./мл в те­чение 5 с при интенсивности (Вт/см2);

0,2

0,6

1.0

1,5

2,4

16,5

17,0

Сплошной лизис

Аналогичным способом на 18-е сутки инкубации при переносе яиц в выводные шкафы в яйцо вводят вакцину, например, против бо­лезни Марека, что позволяет избавиться от трудоемкой и малопроизводительной операции введения вакцины внутримышечно каждому цыпленку всего поголовья молодняка.

5.6.5. Снижение уровня иммунологической специфичности клеток

В последнее время все шире используется трансфузия отдельных компонентов крови - эритроцитарной, лейкоцитарной, тромбоцитарной массы, плазмы, альбумина, что позволяет при ряде патологиче­ских состояний достичь значительно большей терапевтической эф­фективности, чем при переливании цельной крови.

Следует, однако, отметить, что ветеринарная гемотрансфузиология сопряжена с определенными сложностями в связи с большим чис­лом групп крови у животных. У коров, например, не менее 11-ти, у ло­шадей более девяти, у овец - семь, а у свиней обнаружено 14 групп крови. Встречаются животные, кровь которых не относится ни к од­ной из известных групп.

Групповая специфичность клеток крови обусловлена антигенны­ми детерминантами, представляющими собой гликопротеиды и гликопротеидные комплексы, расположенные на наружной поверхности цитоплазматической мембраны. Эти детерминанты играют основную роль в иммунологическом распознавании «своих» и «чужих» клеток, а следовательно, и в трансплантационной совместимости тканей, в том числе крови и ее форменных элементов.

Иммунологическая несовместимость может быть снижена или преодолена, если частично или полостью удалить антигенные детер­минанты с клеточной поверхности.

Обработка эритроцитов гликолитическими ферментами, отщепляю­щими полисахаридный остаток антигенных детерминант, весьма пер­спективна, но практически неосуществима в настоящее время в связи с отсутствием необходимых ферментов требуемой чистоты и специфич­ности. Возможна и химическая модификация группоспецифичных ан­тигенов с целью их полной инактивации, но свойства полученных при этом эритроцитов остаются пока непредсказуемыми. Этих недостатков лишен ультразвуковой метод, позволяющий механически удалять группоспецифичные антигены с мембран эритроцитов и других клеток.

В поле ультразвука докавитационных интенсивностей возникают микропотоки, обеспечивающие «смывание» (десорбцию) с поверхно­сти клеток молекул белков и других биополимеров, что подтверждает­ся изменением энзиматической активности клеток, потерей ими свя­занных с мембранами антигенов, появлением в среде, в которой суспендированы клетки, заметных количеств гликопротеидов. Во избежание обратного связывания с мембранами «смытых» микропо­токами макромолекул клетки после ультразвуковой обработки следу­ет немедленно отделить от среды.

Выбор оптимального режима ультразвуковой обработки эритроцитов с целью снижения их антигенной активности при сохранении целостности клеток и их основных свойств требует учета целого ряда обстоятельств.

Энергия микропотоков и, следовательно, эффективность снижения антигенной активности эритроцитов увеличиваются с возрастанием интенсивности ультразвука (рис. 5.12), но при этом не должен быть превышен порог кавитации, разрушающей клетки в суспензии. Порог кавитации можно повысить, увеличивая концентрацию клеток, но это ведет к уменьшению расстояния между клетками, и «смытые» с их по­верхности антигены после выключения ультразвука быстро сорбиру­ются на поверхности близлежащих клеток. Эффективность ультразву­ковой обработки зависит и от частоты ультразвука. При низких часто­тах понижается порог кавитации и увеличивается вероятность гемолиза, при частотах, превышающих 1МГц, повышается порог кави­тации, но уменьшается эффективность десорбции антигенов.

Параллельно с процессом десорбции антигенных детерминантов с поверхности эритроцитов в ультразвуковом ноле протекает и обрат­ный процесс - сорбция антигенов клетками, а ультразвук лишь сдви­гает равновесие в сторону десорбции. Поэтому только с помощью ультразвука не удастся полностью удалить антигенные детерминанты с поверхности клеток.

Максимальное и весьма существенное снижение антигенной актив­ности эритроцитов в суспензии с концентрацией клеток 106...109 кл./мл обеспечивается ультразвуком с частотой 0,88 МГц, интенсивностью 0,4 Вт/см2 в импульсном режиме. Длительность импульсов - 4 мке, частота следования - 50 Гц, время обра­ботки - до 30 мин.

Рис. 5.12. Относительное изме­нение концентрации антигенов на поверхности эритроцитов в за­висимости от плотности энергии ультразвука

Антигенные детерминанты раз­ных групп крови по-разному связа­ны с эритроцитами. Опыты, прове­денные па крови человека, показали, что снижения антигенной активно­сти эритроцитов на 97 % удается дос­тичь у 15 % доноров группы В (III) и лишь у 4 % доноров группы А (II).

В отличие от химических мето­дов модификации антигенной актив­ности клеток ультразвуковой метод позволяет не только удалить антиген­ные детерминанты, но и пересажи­вать их па мембраны других клеток.

Так, антигенные детерминанты, «смытые» с поверхности эритроцитов ультразвуковыми микропотоками, отделенные от эритроцитов центрифугированием и введенные в суспензию предварительно обработанных ультразвуком и отмытых эритроцитов других групп крови, сорбируются на этих эритроцитах, изменяя их иммунологиче­ский статус. Очевидно, что аналогичная операция может быть прове­дена и с другими клетками. Такая «пересадка» антигенов в настоящее время еще не практикуется, по весьма перспективна для преодоления реакций отторжения.

Ультразвук, в оптимальном режиме обеспечивающий десорбцию антигенов с клеточной поверхности, мало влияет на другие функции клеток, Эритроциты, например, после удаления с их мембран антиге­нов не меняют своих размеров, не теряют способности связывать и пе­реносить кислород. Остается практически постоянным и заряд кле­точных мембран, оцененный по электрофоретической подвижности клеток. Проницаемость мембран, но отношению к кислороду и ионам калия также не претерпевает заметных изменений. Более того, эхиноциты, образовавшиеся из эритроцитов при их выделении из донор­ской крови, после ультразвуковой обработки часто снова принимают дискоидную форму, характерную для интактных клеток. Однако ульт­развуковая обработка не проходит бесследно для эритроцитов.

5.7. ПОЛУЧЕНИЕ КОРМОВЫХ ДОБАВОК С ПОМОЩЬЮ

УЛЬТРАЗВУКА

Некоторые отходы кожевенной промышленности содержат боль­шое количество белка и после переработки могут успешно использо­ваться в качестве кормовой добавки. В кожевенных отходах содер­жится большое количество несовместимых с кормами веществ. Это кремнефтористые и сернистые соединения натрия, парадихлорбензол и ряд других веществ, включая соли хрома, используемые для консер­вирования кожевенного сырья и его дубления при переработке в кожу. Химические способы снижения содержания токсических веществ до допустимого уровня и разрушения прочных связей в структуре кожи требуют длительного времени, большого количества воды и различ­ных химических соединений.

Процесс переработки кожевенного сырья примерно в 25 раз уско­ряется в мощных низкочастотных ультразвуковых полях и занимает не 2-5 суток, а 2-3 часа. При такой обработке смесь отходов с раство­рами интенсивно перемешивается, ускоряется экстракция консерван­тов, разволокняется структура кожевенных отходов, что значительно повышает их перевариваемость, а значит, кормовую ценность.

Полученный эффект, очевидно, обусловлен интенсификацией пропитки кожевой ткани реагентами, ускорением химических реак­ций в ультразвуковом иоле (см. § 1.9), повышением скорости удале­ния из кожевой ткани продуктов реакции, а также механическим воз­действием ударных волн и кавитационных микропотоков на структу­ру ткани. В результате такой обработки из отходов кожи практически полностью удаляются различные консерванты и дубители. Получен­ная таким способом сухая измельченная кормовая добавка содержит 70% белка и 17% жира. Содержание перевариваемого протеина со­ставляет 420 т/кг.

Аналогичным способом можно готовить грубые корма из соломы. Обычно солому заливают на 8...14 ч раствором щелочи, что обеспечи­вает ее размягчение и насыщение влагой. Обработка измельченной со­ломы в растворе щелочи мощным низкочастотным ультразвуком в те­чение трех минут резко сокращает время приготовления корма, в 3-4 раза уменьшает расход щелочи, а также значительно повышает перевариваемость и питательность корма.

Успешно применяют ультразвук и для повышения эффективности производства рыбной кормовой муки. Обычно образующиеся в процес­се прессования при производстве рыбной муки бульоны содержат зна­чительное количество белков и липидов. Так, в бульоне, образовавшем­ся при переработке 30 т сырья, содержится около 1,5 т белка и 0,5 т жи­ра. Этот подпрессовый бульон можно упарить, а образовавшийся концентрат использовать для обогащения кормовой муки. Однако со­леные бульоны практически не пригодны для упаривания, так как при этом в конечный продукт попадает большое количество соли. Кроме то­го, метод уваривания весьма энергоемок. Для отделения белка и жира от жидкой среды можно использовать методы электрофлотации и электрокоагуляции, но оба эти метода требуют затраты большого количест­ва энергии па единицу готовой продукции, в которую к тому же неред­ко попадает металл электродов в виде загрязняющих примесей. Этих недостатков лишен ультразвуковой метод коагуляции белков в подпрессовых бульонах. После десятиминутной обработки мощным низ­кочастотным ультразвуком в бульоне, выдерживаемом при 95°С, обра­зуются хлопья, которые быстро осаждаются. Их легко отделяют с помо­щью сепаратора и высушивают одним их обычных способов. Применение ультразвука позволяет без существенных дополнительных затрат на 8...10 % увеличить общий выход рыбной муки - ценной кор­мовой добавки в рацион сельскохозяйственных животных.

Следует отметить, что в рыбной муке обычно содержится значи­тельное количество жира, который, окисляясь при хранении продук­та, снижает его качество. Однако, если к жому после прессования до­бавить воду в соотношении 1:4, смесь в течение 10…15 мин обработать мощным ультразвуком с частотой 18...22 кГц, а затем вновь подвергнуть прессованию, то содержание жира в жоме и в конечном продукте снижается с 13 до 8%, что существенно повышает качество рыбной муки. Отделенный при этом рыбий жир также представляет собой ценную кормовую добавку.

В качестве эффективных добавок к корму, содержащих биологи­чески активные вещества, нередко используют одноклеточные водо­росли и кормовые дрожжи, выращенные па дешевом природном сы­рье: измельченных отходах древесины, тростнике, кукурузных коче­рыжках, лузге подсолнечника, оболочках гречихи и проса, отходах сахарного производства.

Используют дрожжи в виде белково-витаминно-минеральных до­бавок в рационы крупного рогатого скота, сельскохозяйственной пти­цы, пушных зверей. Солому и другие малоценные корма подвергают дрожжеванию, добавляя с корм дрожжи и создавая условия для их развития. Питательность грубых кормов в результате их обогащения белком, витаминами, органическими кислотами и ферментами значи­тельно повышается.

Достаточно длительный процесс дрожжевания можно существенно ускорить, стимулируя рост и развитие клеток ультразвуком, Ультразву­ковое воздействие в течение нескольких минут повышает интенсив­ность брожения, улучшает качество готового продукта, снижает расход дрожжей. Разрушенные мощным ультразвуком клетки сами по себе яв­ляются хорошим стимулятором развития дрожжей. Этот эффект свя­зывают с так называемым «мортальным фактором», возникающим при разрушении клеток, стимулирующим рост и развитие остальных, ос­тавшихся целыми клеток. Основываясь на этих представлениях, для ускорения процессов дрожжевания четвертую часть исходной суспен­зии подвергают мощному ультразвуковому воздействию, приводящему к разрушению клеток, а затем смешивают полученный продукт с остав­шимися тремя четвертями суспензии.

Ценным источником белка и биологически активных веществ, не­обходимых для рационального кормления, могут служить однокле­точные водоросли, например хлорелла. Однако гемицеллюлоза, со­ставляющая их оболочку, плохо разрушается в желудочно-кишечном тракте сельскохозяйственных животных, что существенно снижает их кормовую ценность. Кратковременное воздействие ультразвуком неразрушающих интенсивностей (10 кГц; 2 кВт) на хлореллу в суспен­зии с объемной концентрацией клеток от 10 до 25 % стимулирует в по­следующие несколько часов синтез ими биогенных стимуляторов. Скорость синтеза увеличивается, если суспензию клеток после ульт­развуковой стимуляции выдерживать в темноте при температуре 3...7. После этого клетки в суспензии разрушают, используя мощ­ный ультразвук или СВЧ-поле.

Полученная таким образом жидкая масса - «зеленое молоко» - мо­жет быть использована как в свежем, гак и в консервированном виде. Для длительного хранения массу сушат и включают в состав порошко­вых гранулированных концентратов или прессованных кормосмесей.

Скармливание «зеленого молока» молодняку сельскохозяйствен­ных животных, в том числе и птице, резко снижает их падеж и в сред­нем на 17% увеличивает привесы. Животные с удовольствием поеда­ют «зеленое молоко» и корма, подвергшиеся дрожжеванию. Клетки дрожжей и одноклеточных водорослей богаты полноценными белка­ми, необходимыми живому организму солями калия, кальция и фос­фора, а также витаминами. По составу дрожжи и одноклеточные очень близки к кормам животного происхождения, а по питательно­сти и содержанию витаминов лишь немного уступают рыбной муке.

Для приготовления кормовых добавок из растительного сырья, для дрожжевания кормов и разрушения клеток хлореллы не требуется спе­циального ультразвукового технологического оборудования. Для этой цели успешно используются давно разработанные и выпускаемые про­мышленностью ультразвуковые ванны различного объема.

Список литературы

  1. Абрамов О.В., Акопян В.Б., Зиммелис И.В. и др. Ультразвуковая предпосевная обработка семян ячменя // Вестник с.-х. науки. 1991. № 1.
  2. Абрамов О.В., Акопян В.Б., Рыхлецкая О. С. и др. Всхожесть и уро­жайность томатов в зависимости от обработки семян ультразвуком и парааминобензойной кислотой // Доклады ВАСХНИЛ. 1987. № 8.
  3. Акопян В.Б. Физические основы ультразвуковой криобиоло­гии // Доклады 111 национальной школы по криобиологии и лиофилизации. Смолян (Болгария), 1987.
  4. Акопян В.Б., Аленичев В.Н., Гаврилов В.К., Рухман А.А. Ультразву­ковая интенсификация процессов фильтрования // Ультразвуковые технологические процсссы-2000. Архангельск, 2000,
  5. Борисов Ю.А. Гынкина Н.M. Акустическая сушка // Физические основы ультразвуковой технологии. М.: МАДИ, 1970.
  6. Деблок И., Лефевр Ф., Нонгайар. Б. и др. Вязкоупругие характе­ристики сахарного сиропа // Пищевая промышленность. 2003. № 12.
  7. Долганова Н.B. Интенсификация биотехнологических процес­сов комплексного использования сточных вод рыбообрабатывающих предприятий. Астрахань, АГТУ, 1991.
  8. Казанцев В.Ф. Расчет ультразвуковых преобразователей для технологических установок. М.: Машиностроение, 1980.
  9. Применение ультразвука в промышленности / Под ред. А.И. Маркова. М.: Машиностроение, 1975.
  10. Разработка и внедрение высокоэффективного ресурсосберегающего оборудования и новых видов пищевых продуктов в пищевой и перерабатывающей отраслях АПК. Киев: Изд-во технол. ни танищ-й пром., 1991.
  11. Рогов И.А., Горбатов А.В. Физические методы обработки пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1974.
  12. Сенченков И.К. Модальная классификация и проектирование сонотродов для ультразвуковой обработки материалов // Акустиче­ский вестник, 1998. № 4.
  13. Сенченков И.К., Нестеренко НЛ., Козлов В.И. Ультразвуковая сварка - ресурсосберегающий и экологически чистый способ соедине­ния пластмасс // Экотехнологии и ресурсосбережение. 1999. № 1.
  14. Сарвазян А.Н.Сельков Е.Е., Чаликян Т.В. Акустический интер­ферометр постоянной длины с переходными слоями для прецизион­ных измерений в малых объемах жидкостей // Акустический журнал. 1988. № 6.
  15. Фихте Б.А. Гуревич Г.А. Ультразвуковая дезинтеграция микро­организмов // Пущино: НЦБИ АН СССР, 1984.
  16. Хмелев В.П., Попова О.B. Многофункциональные ультразвуко­вые аппараты и их применение в условиях малых производств, сель­ском и домашнем хозяйстве. Барнаул: АлтГТУ, 1997.
  17. Холопов Ю.В. Ультразвуковая сварка пластмасс и металлов. Л.: Машиностроение, 1988.
  18. Янсон Х.А.,Дзенис В.В., Татаринов A.M. Ультразвуковое иссле­дование трубчатых костей. Рига: Зинатне, 1990.

6. УЛЬТРАЗВУК В ФАРМАЦИИ

Интенсивное перемешивание жидкостей в ультразвуковом поле, обуслов­ленное акустическими течениями и микропотоками с большими градиентами скоростей > способность ультразвука дробить с помощью ударных волн взвешен­ные в жидкой среде твердые частицы и капли не растворяющихся в ней жидко­стей на мельчайшие фрагменты делают ультразвуковые методы незаменимы­ми и весьма перспективными в производстве лекарств. Растворение, диспергирование и эмульгирование, экстрагирование и осветление, суспендирование и сушка могут быть значительно ускорены и облегчены при заводском и аптечном изго­товлении ряда лекарственных препаратов и некоторых лекарственных форм.

6.1. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЛЕКАРСТВ

Растворение - самый распространенный процесс при изготовле­нии лекарств. Он прост и истребует больших усилий для приготовле­ния растворов легкорастворимых веществ, но для веществ с понижен­ной растворимостью оказывается длительным и трудоемким. Среди многих методов ускорения процесса растворения ультразвуковые за­нимают особое место.

Скорость растворения тем выше, чем ниже концентрация раство­ряемого вещества в растворе. Обычно при отсутствии потоков в жид­кости у поверхности растворяемого тела устанавливается градиент концентрации. Чем ближе к поверхности, тем выше концентрация и тем медленнее переход новых частиц с поверхности в раствор.

Перемешивание обычными способами ускоряет растворение. Но только ультразвуковые микропотоки способны интенсивно переме­шивать топкие слои жидкости у самой поверхности.

Скорость растворения иод действием ультразвука увеличивается еще и в результате кавитационной эрозии и дробления твердых час­тить. Это значительно увеличивает поверхность контакта между рас­творителем и растворяемым веществом.

Скорость растворения существенно зависит от интенсивности ультразвука. При низких интенсивностях эффект пренебрежимо мал и резко возрастает при интенсивностях, превышающих порог кавита­ции. Если раствор далек от насыщения, то при постоянной полости ультразвука количество растворенного в единицу времени вещества практически пропорционально времени воздействия.

Скорость растворения в ультразвуковом поле во многом растворимости лека вещества (табл. 6.1). Чем хуже растворяется вещество в данном растворителе, тем меньше эффективность ультразвуки кого воздействия. Но даже если речь идет о малорастворимых веществах, процесс ускоряется в 2-3 раза. Уменьшается в 5-30 раз и время достижения концентрации насыщения. Это позволяет готовить силь­но концентрированные растворы веществ, медленно и мало раствори­мых в обычных условиях.

Следует, однако, отметить, что концентрация насыщенных вод­ных растворов некоторых веществ, например глюконата кальция и ря­да карбонатов, снижается в результате ультразвукового воздействия. Этот эффект слабо изучен и не получил убедительного обоснования. Можно предположить, что данное явление связано с конкуренцией диспергирования и коагуляции.

Таблица 6.1

Ускорение ультразвуком растворения лекарственных веществ

Растворяемое вещество

Растворитель

Количество растворяемого ве­щества в г на 100 мл растворителя

Бремя растворения

Перемешивание

Ультразвуковое воздействие

Амидопирин

Иода

2

135 с

Сахар

Вода

10

60 с

Сульфат меди

Иода

10

120 с

Фурацилин

Иода

0,2

600 с

40 с

Желатин

Иода

1,0

120 мин

5 мин

Камфара

Подсолнеч­ное масло

10

300 с

Салициловая кислота

Персиковое масло

2

180 с

32 с

В состав многих лекарственных препаратов в том или ином коли­честве входят вещества, извлекаемые из растительного или животного сырья. В основе технологии извлечения лекарственных веществ из тканей животных и рас гений лежит экстрагирование, малоэффектив­ный и длительный процесс.

Низкочастотный ультразвук (22...44 кГц) в десятки и сотни раз со­кращает время экстракции, например, флавоноидов, феногликозидов, дубильных и других веществ, на 30% повышает выход тартроновой кислоты из капустной мезги, на 20 % - выход инулина из корней ло­пуха, валерьяновой кислоты из корневищ валерианы, на 10...50 % - других веществ из различного растительного сырья.

Проводя экстракцию тканей животных в ультразвуковом поле, можно быстро и эффективно извлечь адреналин из на/точечной же­лезы, инсулин - из поджелудочной железы, лидазу - из семенников, спленин - из селезенки, цитохром С - из сердечной мышцы крупного рогатою скота, пепсин - из автолизатов свиных желудков, панток­рин - из пантов оленя и целый ряд ферментов, гормонов, витаминов из другого животного сырья.

Биологическая активность лекарства в огромной степени зависит от физико-химического состояния входящих в него веществ. В част­ности, активность действующего начала в линиментах, суспензиях, эмульсиях существенно меняется в зависимости от степени дисперс­ности частиц, значительно увеличивающейся при ультразвуковой об­работке. Кроме того суспензии и эмульсии после ультразвукового воздействия не расслаиваются и сохраняют свои свойства значитель­но дольше, чем эмульсии и суспензии, полученные традиционными способами (табл. 6.2),

Таблица 6.2

Сравнительная устойчивость эмульсий, полученных разными методами

Способ получения

Время обработки, с

Устойчивость эмульсий, ч

Рыбий жир

Касторовое масло

Механический (миксер)

300

1,5

2,1

Гидродинамический (свисток)

300

7

A3

Ультразвуковой (магнитострикционный преобразователь)

25

28

168

Частицы лекарственного вещества в эмульсиях и суспензиях, раз­дробленные до весьма малых размеров (0,1...0,5 мкм), приобретают новые качества. Можно, например, приготовить эмульсию рыбьего жира, лишенную специфического запаха и вкуса, С помощью ультра­звука были получены и успешно применяются в лечебной практике высокоактивные эмульсии касторового и вазелинового масел, рыбьего жира, нафталиновой нефти, лечебных грязей.

Суспензии - взвеси твердых частиц в жидкости, часто приме­няющиеся в лечебных целях, также меняют свои свойства под дей­ствием ультразвука. Размеры частиц уменьшаются, количество их возрастает, и, следовательно, увеличиваются устойчивость суспензии и общая поверхность частиц, определяющая биодоступность. лекарственного вещества.

Например, средние размеры частиц норсульфазола в суспензии в результате ультразвуковой обработки уменьшаются с 45...120 мкм до 3...10 мкм. При введении такой суспензии в организм время достиже­ния максимальной концентрации препарата в крови сокращается и 2-4 раза. Используют ультразвук и для приготовления лекарственных форм, содержащих бентонитовые глины.

Противогрибковая активность 1- (2-хлорфенил) дифепилметил имидазола, известного как клотримазол или трихопол, много­кратно возрастает под действием ультразвука (22 кГц; 1,5 Вт; 40 мин).

Седиментационно устойчивая дисперсия клотримазола в воде с ПАВ (лаурил сульфат), введенная в питательную среду с инкубируемыми микроорганизмами Candida albicans, оказалась значительно аффективнее, чем та же композиция, приготовленная без ультразвука. Минимальная цитоцидная концентрация клотримазола в обработанной ультразвуком дис­персии составила 6.10-6 - моль/л., минимальная ингибирующая концен­трация -1,2 • 10-7 моль/л. Эти концентрации па порядок ниже содержа­ния клотримазола в стандартной дисперсии, не обработанной ультразвуком. Иначе творя, для лечения грибкового заболевания (кандидоз) требуется примерно в 10 раз меньше препарата, обработанного ульт­развуком, чем полученною по традиционной технологии.

Теоретические кривые роста Candida albicans в питательных сре­дах, содержащих клотримазол (рис. 6.1), построенные по вычислен­ным кинетическим коэффициентам и экотоксикологическому уравне­нию, хорошо согласуются с экспериментальными данными. Не следует, однако, забывать, что в ультразвуковом поле, особен­но при интенсивностях, превышающих порог кавитации, возможны химические превращения лекарственных веществ, способные карди­нально изменить их свойства и действие па организм (см. § 1.9).

Протекторами для лекарств в ультразвуковом поле могут служить акцепторы свободных радикалов. Так, 1% аскорбиновой кислоты в растворе предотвращает ультразвуковые химические реакции с уча­стием резорцина, новокаина, производных парааминосалициловой кислоты и других лекарственных веществ. Свойствами сонопротекто­ров обладают также сульфат, бисульфат и метабисульфит натрия, не­которые антиоксиданты.

Активность ряда веществ, в частности антибиотиков - бензилпенициллина, стрептомицина, тетрациклина, низина, а также интерферонов - даже увеличивается под действием ультразвука. Возможно, это обусловлено распадом самопроизвольно образующихся в растворе этих веществ димеров, гримеров, тетрамеров. Данные ассоциаты рас­падаются в ультразвуковом поле до отдельных молекул, что эквива­лентно увеличению концентрации препарата в единице объема или возрастанию активности на единицу его массы.

Рис. 6.1. Экспериментальные точки и теоретические кривые (построены по зкотоксикологическому урав­нению), описывающие рост Candida albicans в пита­тельной среде, содержащей гидрозоль клотримазола (моль/л):


6.2. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ АЭРОЗОЛИ

При аэрозольтерапии лекарственное вещество, будучи распылено на мельчайшие частицы и обладая поэтому большой удельной поверх­ностью, при попадании в органы дыхания воздействует на большую поверхность слизистых оболочек и быстро всасывается в кровь. Аэро­золи широко используются в медицине и ветеринарии для индивиду­ального и группового лечения респираторных и других заболеваний человека, массовой вакцинации животных и поддержания необходи­мой влажности в помещениях.

Существует много способов диспергирования жидкостей - гид­равлический, механический, пневматический и пр., но наиболее эф­фективны ультразвуковой и пневмоакустический методы.

Регулируя параметры ультразвука, можно получить частицы аэ­розоля самых разных размеров - от 0,03 до 10 мкм в диаметре - и в за­висимости от этого обеспечить воздействие на тс или иные отделы ды­хательной системы. Чем мельче аэрозольные частицы, тем глубже они проникают в легкие. Следует особо отметить, что при ультразвуковом методе аэрозоль получается практически монодисперсным, т. е. боль­шинство частиц имеет одинаковые размеры.

На частицах тумана при их образовании могут накапливаться элек­трические заряды, В среднем число положительно и отрицательно заря­женных частиц примерно одинаково. Разноименно заряженные частицы притягиваются друг к другу и сливаются в более крупные капли, что снижает монодисперсность аэрозоля и, следовательно, меняет его лечеб­ные свойства. Для предупреждения этого явления аэрозоль иногда заря­жают, используя специальное устройство. Одноименный электрический заряд на частицах препятствует их сближению и слиянию в более круп­ные капли. Следует отмстить, что в ряде случае» положительно и отри­цательно заряженные частицы лекарственного аэрозоля обладают раз­ными лечебными свойствами. Например, антибактериальная активность положительно заряженных частиц аэрозоля фурацилина вдвое выше ак­тивности частиц, заряженных отрицательно (рис 6.2).

Рис. 6.2. Влияние положительно (+) и отрицательно (-) заряженных частиц аэрозолей физиологического раствора и фурацилина, а также их электро­нейтральных (11) смесей на число колоний:

K - число колоний и исходной культуре; 1 - число колоний после воздействия аэрозолем физраствора; 2 - число колоний после воздействия аэрозолем раствора фурацилина

Ультразвуковые методы получения лечебных аэрозолей не лише­ны недостатков. Они малопригодны для распыления маслянистых жидкостей и вязких растворов. Кроме того, ультразвуковые генерато­ры аэрозоля относительно малопродуктивны и пригодны либо для ин­дивидуальной терапии, либо для лечения одновременно нескольких человек или животных в небольшом помещении. Пневмоакустические генераторы способны обеспечить лечебным аэрозолем достаточ­но большое животноводческое помещение, но в отличие от ультразву­ковых генераторов они создают сильный шум, в связи с чем требуются специальные шумозащитные средства, а это ограничивает их приме­нение.

Ультразвуковые аэрозоли применяют в медицинской и ветеринар­ной практике так же, как и аэрозоли, полненные любым другим путем.

Возможности применения ультразвука в фармации не ограничи­ваются приведенными примерами. Направленное изменение активно­сти и характера действия препаратов, мытье ампул и стерилизация растворов, производство микродраже и липосомальных форм, а также некоторые другие задачи фармации могут быть решены с помощью ультразвуковых методов,

Список литературы

  • Молчанов Г. И.  Ультразвук в фармации, М.: Медицина, 1980.
  • Горбенко П.П., Адамова И.B., Зильбер Н.А. Реакция дыхательных путей на ингаляции ультразвуковых аэрозолей дистиллированной во­ды и изотонического раствора хлорида натрия у больных бронхиаль­ной астмой. Пульмонология. 1992, №1
  • Улащик B.C., Чиркин А. А. Ультразвуковая терапия. Минск: Бела­русь, 1983.
  • Флинн Г. Физика акустической кавитации в жидкости // Физи­ческая акустика / Пер. с англ.; Под ред. У, Мэзона. Т. 3. Ч. Б. М.: Мир, 1967.
  • Цыбров Г.Е., Ершов Ю.А., Плетнева Т.В. и др. Электрические яв­ления при ультразвуковой аэрозольной обработке биологических тка­ней // Сообщения АН СССР. 1989. №1.


ЗАКЛЮЧЕИЕ

Исследования механизмов биологического и лечебною действия ультразвука, разработка новых ультразвуковых методик для медицины, экспериментальной биологии, ветеринарии, биотехнологии и других областей народного хозяйства продолжаются.

Высокий коэффициент поглощения ультразвука в воздухе, при­менение специальных конструкций и материалов для держателем ультразвуковых преобразователей сводят до минимума ультразвуко­вое воздействие на обслуживающий персонал, однако встречаются индивидуумы с повышенной чувствительностью. Они испытывают дискомфорт при интенсивностях ультразвука, используемых в диаг­ностике, или «чувствуют» ультразвук, держась за рукоятку излучате­ля. Таких людей немного - два-три человека на каждые 10 тысяч, - но сам факт их существования свидетельствует о возможности влияния ультразвука весьма малых интенсивностей на организм. Не вызывая определенных ощущений во время воздействия, при длительном при­менении ультразвук низких интенсивностей может вызнать боли в суставах, повышенную утомляемость, изменения в организме, отра­жающиеся на электроэнцефалограммах в виде нарушения -ритма, и т. д. Все изменения бесследно исчезают, если оператор в течение не­скольких дней не имеет контакта с ультразвуковой аппаратурой.

Есть проблемы, к решению которых исследователи еще не при­ступали, К ним относится выяснение возможности влияния ультра­звука на процессы фармакокинетики и фармакогенетики. Что каса­ется перв