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.

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, на 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 его и зависит от длительности облучения. Если время воздействия меньше 200 с, то для получения регистрируемого 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 / 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 иод действием ультразвука с частотой 1 МГц составит.

2…4 °С, 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, но 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.