Биологическое действие на клеточном уровне
При действии ультразвука на биологические объекты в облучаемых объектах на расстояниях, равных половине длины волны, могут возникать разности давлений от единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия приводят к разнообразным биологическим эффектам, физическая природа которых определяется совместным действием механических, тепловых и физико-химических явлений, сопутствующих распространению ультразвука в среде. Биологическое действие, то есть изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структурах биологических объектов при воздействии на них ультразвука, определяется главным
образом интенсивностью ультразвука и длительностью облучения и может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность организмов. Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях ультразвука (1-2 Вт/см2) механические колебания частиц производят своеобразный микро-массаж
тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Повышение интенсивности может привести к возникновению
акустической кавитации, сопровождающееся механическим разрушением клеток и тканей. Облучение ультразвуком с интенсивность, превышающей порог кавитации, используют для разрушения имеющихся в жидкости бактерий и вирусов.
При действии ультразвука могут возникать вторичные физико-химические эффекты. Так, при образовании акустических потоков может происходить перемешивание внутриклеточныъх структур. Кавитация приводит к разрыву молекулярных связей в биополимерах и других жизненно важных соединениях и к развитию окислительно-восстановительных реакций. Микропотоки могут отрывать от клеточных мембран биологические макромолекулы (ферменты, гормоны, антигены), изменять поверхностный заряд мембран и их проницаемость, оказывая этим влияние на жизнедеятельность клетки.
Действие на клеточном уровне
На клеточном уровне ультразвуковое воздействие приводит к изменению проницаемости клеточных мембран. Изменение потока различных веществ через цитоплазматическую мембрану приводит к нарушению состава внутриклеточной среды и микроокружения клетки. Это влияет на скорость биохимических реакций с участием ферментов, чувствительных к содержанию в среде тех или иных ионов. В некоторых случаях изменение состава среды внутри клетки может привести к ускорению ферментативных реакций, что наблюдается при воздействии на клетки ультразвуком низких интенсивностей.
При повышении интенсивности ультразвука более вероятным становится эффект подавления ферментативных реакций в клетке. Это происходит, так как в результате деполяризации клеточных мембран концентрация ионов калия во внутриклеточной среде уменьшается, а ионов натрия возрастает. Многие внутриклеточные ферменты активируются ионами калия.
Механизм действия ультразвука на клетки можно представить в виде следующих явлений:
а) нарушение микроокружения клеточных мембран в виде
изменения градиентов концентрации различных веществ около мембран, изменение вязкости среды внутри и вне клетки;
б) изменение проницаемости клеточных мембран в виде ускорения обычной и облегченной диффузии, изменении эффективности активного транспорта, нарушении структуры мембран: изменение проницаемости клеточных мембран является универсальной реакцией на ультразвуковое воздействие, независимо от того, какой из факторов ультразвука, действующего на клетку, превалирует в том или ином случае;
в) нарушение состава внутриклеточной среды в виде изменения концентрации различных веществ в клетке;
г) изменение скоростей ферментативных реакций в клетке вследствие изменения оптимальных концентраций веществ, необходимых для функционирования ферментов;
д) отделение клетки от ферментов;
е) разрушение таких внутриклеточных структур, как митохондрии и хлоропласты с целью изучения взаимосвязи между их структурой и функциями;
ж) образование мутаций: ультразвук даже малой интенсивности может повредить молекулу ДНК; при этом ультразвук имеет преимущество перед другими мутагенами (рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи), так как с ним чрезвычайно легко работать;
З) способность ультразвука разрывать оболочку клетки (мембрану).
В определенном интервале интенсивностей наблюдаемые биологические эффекты ультразвука обратимы. Верхняя граница этого интервала 0,1 Вт/см2, при частоте (0,8-2) МГц и длительности (1-10-3) сек. может быть принята в качестве порога.
Превышение этой границы приводит к выраженным деструктивным изменениям в клетках. Возникновение кавитации приводит к лизису клеток.
При действии ультразвука на форменные элементы крови возможно повреждение тромбоцитов с риском образования тромбов, при этом эритроциты оказываются более устойчивыми.
Г л а в а 3