Диссертации и автореферата по вак 03. 00. 02, доктор физико-математических наук Гапеев, Андрей Брониславович
Скачать 0.71 Mb.
|
| Физико-химические механизмы действия электромагнитного излучения крайне высоких частот на клеточном и организменном уровнях тема диссертации и автореферата по ВАК 03.00.02, доктор физико-математических наук Гапеев, Андрей Брониславович Share on vk Share on facebook Share on twitter Share on mymailru Share on odnoklassniki_ru Share on livejournal Share on google More Sharing Services Автореферат Диссертация Артикул: 255311 Год: 2006 Автор: Гапеев, Андрей Брониславович Ученая cтепень: доктор физико-математических наук Место защиты диссертации: Пущино Код cпециальности ВАК: 03.00.02 Специальность: Биофизика Количество cтраниц: 285 Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Гапеев, Андрей Брониславович ВВЕДЕНИЕ. Глава 1. ДЕЙСТВИЕ НЕПРЕРЫВНОГО И МОДУЛИРОВАННОГО ЭМИ КВЧ НА КЛЕТОЧНОМ И ОРГАНИЗМЕННОМ УРОВНЯХ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ). 1.1. Особенности и основные гипотезы о механизмах биологического действия ЭМИ КВЧ. 1.1.1. Особенности действия ЭМИ КВЧ на биологические объекты. 1.1.2. Основные гипотезы о механизмах действия ЭМИ КВЧ на биологические объекты и факты, лежащие в их основе. 1.1.2.1. Роль воды в рецепции ЭМИ КВЧ биологическими системами (гидратационный механизм). 1.1.2.2. Гипотеза когерентных возбуждений и взаимодействий. 1.1.2.3. Гипотеза "солитонов Давыдова". 1.1.2.4. Информационная гипотеза действия ЭМИ КВЧ на живые организмы. 1.1.2.5. Квантовая концепция - "физика живого". 1.1.2.6. Концепция механизмов биологического действия модулированных ЭМИ. 1.2. Проблемы и методы дозиметрии ЭМИ КВЧ. 1.3. Биологические эффекты непрерывного ЭМИ КВЧ. 1.3.1. Влияние ЭМИ КВЧ на компоненты клетки. 1.3.2. Действие непрерывного ЭМИ КВЧ на изолированные клетки и клеточные суспензии. 1.3.3. Влияние непрерывного ЭМИ КВЧ на многоклеточные организмы. 1.4. Биологические эффекты модулированных электромагнитных излучений. 1.5. Влияние ЭМИ КВЧ на иммунную систему и системная регуляция гомеостаза. 1.5.1. Особенности терапевтического действия ЭМИ КВЧ. 1.5.2. Иммуномодулирующие эффекты ЭМИ КВЧ в норме и при патологии. Феноменология. 1.5.3. Возможные механизмы действия ЭМИ КВЧ на организм млекопитающих. 1.5.3.1. Структуры, участвующие в рецепции ЭМИ КВЧ. 1.5.3.1.1. Изолированные клетки иммунной системы. 1.5.3.1.2. Клетки кожи. Эндокринная функция кожи. 1.5.3.1.3. Нервная система. 1.5.3.2. Адаптационный синдром. Введение диссертации (часть автореферата) доктор физико-математических наук Гапеев, Андрей Брониславович, 2006 год, Пущино Актуальность темы. Многие физические факторы внешней среды, играющие важную роль в процессах жизнедеятельности, имеют электромагнитную природу [Пресман, 1968; Adey, 1993]. В частности, именно электромагнитные излучения (ЭМИ) используются как носители разнообразной информации в биосфере [Пресман, 1997]. Электромагнитные поля (ЭМП) искусственного происхождения разных частотных диапазонов оказывают выраженное воздействие на живые организмы и находят широкое практическое применение. Научную общественность особенно интересуют вопросы возможного неблагоприятного действия ЭМП на человека, животных и природные биоценозы, а также медико-биологические аспекты применения ЭМП в качестве терапевтических средств. Этим проблемам посвящены крупнейшие международные симпозиумы последних лет (Congresses of ЕВЕА, 1996-2005; Annual Meetings of BEMS, 1999-2006; Звенигород, 1991-2005; Москва, 2002-2006; Санкт-Петербург, 2000-2006; Ереван, 2005, 2006). Одним из актуальных направлений современной электромагнитобиологии является исследование физико-химических механизмов действия ЭМИ на биологические системы различного уровня организации. Некоторые ЭМИ хорошо известны и давно используются в промышленности, клинической практике и быту, например, ультравысокочастотное (УВЧ), сверхвысокочастотное (СВЧ), инфракрасное (ИК), и ультрафиолетовое (УФ) излучения [Бецкий и др., 2000е]. ЭМИ других частотных диапазонов, например, крайне высоких частот (ЭМИ КВЧ), исследуются и применяются сравнительно недавно. Работы по изучению биологического действия ЭМИ КВЧ были начаты в бывшем Советском Союзе под руководством академика Н.Д. Девяткова и профессора М.Б. Голанта в 65-66 гг. XX века вслед за изобретением и запуском в серийное производство первых в мире широкодиапазонных генераторов на основе ламп обратной волны и освоением в радиотехнике этого диапазона частот (направленная радиосвязь, мм-радиолокация и др.). С тех пор выполнено большое количество исследований биомедицинских эффектов ЭМИ КВЧ, использование ЭМИ КВЧ в терапии и профилактике целого ряда болезней человека является одним из активно развивающихся направлений современной клинической медицины [Бецкий и Лебедева, 2001Ь; Бецкий и др., 2005]. Однако в настоящее время нет окончательного представления о физико-химических механизмах действия ЭМИ КВЧ на биологические системы. Выраженную биотропную активность ЭМИ КВЧ связывают с тем фактом, что в процессе эволюции биологические системы на Земле за счет наличия атмосферы были экранированы от ЭМИ КВЧ, присутствующего в спектре реликтового излучения. Спектр поглощения ЭМИ КВЧ атмосферой Земли является полосатым, в отдельных полосах поглощение достигает значений 800 дБ, в окнах прозрачности 1-3 дБ. Некоторые исследователи полагают, что ЭМИ этого диапазона используются для передачи информации между организмами и внутри организмов [Девятков и др., 1991; Бецкий и Девятков, 2000; Бецкий и др., 2000ь]. На сегодняшний день основные направления исследований биомедицинского действия ЭМИ КВЧ можно разделить на три направления по интенсивности излучения: низкоинтенсивное (не вызывающее нагрев облучаемого объекта), интенсивное (вызывающее локальный нагрев области облучения до 5°С) и импульсное с большой пиковой мощностью (средняя интенсивность невелика, но пиковая мощность в коротком импульсе 0.1-1 мкс может достигать 20 кВт). К настоящему времени показано, что ЭМИ КВЧ способно оказывать воздействие практически на все известные типы клеток в системах любого уровня организации биологического объекта. В течение последних лет сформулирован ряд гипотез о возможных механизмах действия ЭМИ КВЧ на биологические системы [Fröhlich, 1968-1988; Девятков и др., 1991; Gründler et al., 1992; Ефимов и Ситько, 1993; Бецкий, 1994; Kaiser et al., 1995; Афромеев и др., 1997; Гапеев и Чемерис, 1999а; Субботина и Яшин, 1999; Хадарцев, 1999; Бецкий и Лебедева, 2000; Нефёдов и др., 2005], но проблема изучения механизмов нетеплового действия ЭМИ КВЧ на клетки и организм в целом остается открытой. Физико-химические механизмы рецепции ЭМИ КВЧ во многом определяются сильным поглощением излучения молекулами воды. Вполне вероятно, что ЭМИ КВЧ может влиять на слабые электростатические связи (водородные, полярные, гидрофобные), которым принадлежит ведущая роль в поддержании пространственной структуры (конформации) биологических молекул и надмолекулярных структур. Таким образом через модификацию слабых взаимодействий облучение объекта может приводить к изменению гидратных оболочек биологических макромолекул, изменению физико-химических свойств мембран, активности каналообразующих белков, каталитических свойств ферментов, мембранного транспорта. Сегодня это, пожалуй, один из самых конкретных выходов на проблему механизмов биологического действия низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ, претендующий на определенную универсальность. Нами выдвинута гипотеза о том, что на клеточном уровне эффект ЭМИ КВЧ связан с изменением активности внутриклеточных сигнальных систем за счет влияния на систему вторичных мессенджеров, ДНК, ферментные системы [Гапеев и Чемерис, 1999а]. Биологическое действие модулированного и многочастотного ЭМИ КВЧ и импульсного ЭМИ КВЧ с большой пиковой мощностью на сегодняшний день практически не исследовано. Слабо исследовано влияние ЭМИ КВЧ на изменение адаптационных реакций организма, обеспечивающих приспособление к стрессорным воздействиям. Кроме того, остается неизученной возможность коррекции с помощью ЭМИ КВЧ защитных (иммунных) реакций организма. К настоящему времени до конца не выяснен вопрос о зависимости биологической эффективности ЭМИ КВЧ от параметров действующего излучения, локализации воздействия и индивидуальных особенностей биологического объекта. Решению этих и связанных вопросов посвящена настоящая работа. Полученные в последнее время новые результаты позволили нам увидеть направление дальнейших исследований. При этом, как будет показано в последующих разделах, обнаружены чрезвычайно интересные и важные закономерности, перемещающие актуальность проводимых исследований из фундаментальных аспектов к биомедицинским и прикладным. Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является исследование физико-химических механизмов действия электромагнитного излучения крайне высоких частот на клеточном и организменном уровнях. Задачи исследования: 1) провести дозиметрические исследования в ближней и дальней зонах стандартных и специальных излучателей ЭМИ КВЧ для обеспечения электромагнитобиологических экспериментов in vitro и in vivo; 2) выяснить особенности реакции клеток иммунной системы - нейтрофилов - на воздействие непрерывного и модулированного ЭМИ КВЧ в зависимости от физических параметров излучения (интенсивности, несущих и модулирующих частот), функционального состояния клеток (с использованием различных экспериментальных моделей активации нейтрофила) и фоновых условий воздействия (индукции постоянного магнитного поля); 3) провести теоретический анализ эффектов модулированного ЭМИ КВЧ с использованием математической модели кальцийзависимых процессов внутриклеточной сигнализации нейтрофилов для понимания закономерностей взаимодействия модулированных сигналов с нелинейными процессами внутриклеточной регуляции; 4) исследовать влияние низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ на основные реакции иммунной системы лабораторных животных для оценки чувствительности различных звеньев иммунной системы к воздействию излучения с эффективными параметрами и определения механизмов реализации эффектов ЭМИ КВЧ на уровне целого организма; 5) исследовать механизмы реализации противовоспалительного действия ЭМИ КВЧ в сравнении с эффектами известных лекарственных препаратов; 6) на основе анализа полученных результатов сформулировать концепцию механизмов биологического действия низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ, связывающую реакции отдельных клеток и организма в целом на воздействие излучения. Научная новизна. В работе впервые получены следующие результаты: 1) с использованием различных дозиметрических методов и подходов обосновано проведение облучения биологических объектов в дальней зоне излучателей ЭМИ КВЧ и сформулированы основные рекомендации по дозиметрическому обеспечению экспериментов в диапазоне КВЧ; 2) экспериментально обнаружена различная реакция клеток иммунной системы -нейтрофилов - на воздействие низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ в ближней и дальней зонах специального желобкового излучателя; 3) показано, что ответ нейтрофилов на действие низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ имеет резонансноподобный характер зависимости от несущей и модулирующей частот излучения; 4) получены экспериментальные данные, указывающие на сильную зависимость эффектов ЭМИ КВЧ от индукции постоянного магнитного поля, сравнимого по величине с геомагнитным полем Земли; 5) на основе теоретического анализа с единых позиций объяснены закономерности биологических эффектов ЭМИ КВЧ на клеточном уровне (зависимость от функционального состояния объекта, наличие амплитудно-частотных "окон" в ответе системы, пороговый характер эффекта и роль шумового воздействия, как управляющего сигнала); 6) в численных экспериментах продемонстрирована сильная зависимость качественных и количественных характеристик ответа системы от формы действующего сигнала; 7) обнаружена взаимосвязь между реакциями отдельных клеток и звеньев иммунной системы и системной реакцией организма на воздействие низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ; 8) экспериментально показано, что низкоинтенсивное ЭМИ КВЧ оказывает выраженное противовоспалительное действие, сравнимое по величине с эффектами терапевтических доз известного нестероидного противовоспалительного препарата диклофенака натрия; 9) показано, что клеточные механизмы реализации противовоспалительного действия ЭМИ КВЧ связаны с изменением функциональной активности фагоцитирующих клеток очага воспаления (снижение фагоцитарной активности и продукции активных форм кислорода); 10) на основе полученных экспериментальных данных и теоретического анализа предложена "гистаминовая модель" биологического действия ЭМИ КВЧ на уровне организма, связывающая реакцию отдельных клеток и системную реакцию организма на низкоинтенсивное ЭМИ КВЧ. Научно-практическое значение. Результаты работы носят фундаментальный характер и направлены на выяснение физико-химических механизмов действия ЭМИ КВЧ на уровне клеток и организма теплокровных животных. С единых позиций объясняются основные закономерности действия низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ на регуляторные системы клетки. Теоретический анализ предсказывает новые особенности в ответе биологической системы на внешние модулированные сигналы, в частности, зависимость эффектов от формы действующего сигнала. Предложена концепция реализации эффектов ЭМИ КВЧ на уровне целого организма животных. Результаты работы дают научное обоснование применению ЭМИ КВЧ в биологии, медицине и смежных областях и могут быть использованы для построения теории взаимодействия ЭМП с биологическими системами, разработки рекомендаций для применения ЭМИ КВЧ в клинической практике, усовершенствования принципов гигиенического нормирования ЭМИ и решения проблем электромагнитной безопасности. Апробация работы. Результаты работы были представлены в виде докладов на семинарах и научных конференциях Института биофизики клетки РАН, на III Международном конгрессе Европейской БиоЭлектромагнитной Ассоциации (ЕВЕА) (Nancy, France, 1996), I и II Международных конгрессах "Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине" (Санкт-Петербург, 1997, 2000), Всероссийской научной конференции "Физические проблемы экологии (физическая экология)" (Москва, 1997), I Международном симпозиуме "Фундаментальные науки и альтернативная медицина" (Пущино, 1997), Международном конгрессе "Медицинские технологии на рубеже веков" (Тула, 1997), Международном совещании "Электромагнитные поля. Биологическое действие и гигиеническое нормирование" (Москва, 1998), 1st International Conference "Nonlinear Phenomena in Biology" (Pushchino, Russia, 1998), II и III Международных конференциях "Электромагнитные поля и здоровье человека" (Москва, 1999, 2002), школе-конференции "Горизонты физико-химической биологии" (Пущино, 2000), Международной конференции "Электромагнитные излучения в биологии" (Калуга, 2000), 3rd International Conference on Bioelectromagnetism (Bled, Slovenia, 2000), XVIII Съезде физиологов России (Казань, 2001), IV Съезде по радиационным исследованиям (радиобиология, радиоэкология, радиационная безопасность) (Москва, 2001), Международной конференции "Генетические последствия чрезвычайных радиационных ситуаций" (Москва, 2002), конференции "От современной фундаментальной биологии к новым наукоемким технологиям" (Пущино, 2002), II и III Международных научно-технических конференциях "Медэлектроника. Средства медицинской электроники и новые медицинские технологии" (Минск, Беларусь, 2003, 2004), Международной конференции "Высокоинтенсивные физические факторы в биологии, медицине, сельском хозяйстве и экологии" (Саров, 2004), UNESCO/WHO/IUPAB Seminar on "Molecular and Cellular Mechanisms of Biological Effects of EMF" and NATO Advanced Research Workshop on "The Mechanisms of the Biological Effect of Extra High Power Pulses" (Yerevan, Armenia, 2005, 2006), Joint Meeting of the Bioelectromagnetics Society and the European BioElectromagnetics Association (Dublin, Ireland, 2005), а также в материалах II и III Съездов биофизиков России (Москва, 1999; Воронеж, 2004), 4th ЕВЕА Congress (Zagreb, Croatia, 1998), 20-23th and 25th Annual Meetings of BEMS (St. Pete Beach, Florida, USA, 1998; Long Beach, California, USA, 1999; Munich, Germany, 2000; St.Paul, Minnesota, USA, 2001; Maui, Hawaii, 2003), International Symposium "Electromagnetic Aspects of Selforganization in Biology" (Prague, Czech Republic, 2000), Междисциплинарной конференции с международным участием "Новые биокибернетические и телемедицинские технологии 21 века для диагностики и лечения заболеваний человека" ("НБИТТ-21") (Петрозаводск, 2002), III Международного симпозиума "Механизмы действия сверхмалых доз" (Москва, 2002), XIX Съезда Физиологического общества им. И.П.Павлова (Екатеринбург, 2004), VIII Международного конгресса по адаптивной медицине (Москва, 2006) и других конференций. Работа апробирована на совместном научном семинаре секций Ученого совета ИТЭБ РАН "Молекулярная биофизика" и "Окружающая среда" (17 мая 2006 г.). Заключение диссертации доктор физико-математических наук Гапеев, Андрей Брониславович ВЫВОДЫ 1. Сформулированы основные рекомендации по дозиметрическому обеспечению электромагнитобиологических экспериментов in vitro и in vivo в диапазоне КВЧ. Продемонстрировано, что стандартные рупорные и диэлектрические излучатели ЭМИ КВЧ малопригодны для облучения биологических объектов в ближней зоне излучения. Разработан специальный желобковый излучатель ЭМИ КВЧ, обеспечивающий однородное распределение ЭМП и широкополосное согласование с объектом как в ближней, так и в дальней зонах антенны, что делает его пригодным для биомедицинских исследований. Впервые показано, что в условиях хорошего согласования излучателя и объекта ответы биологической системы на воздействие ЭМИ КВЧ в ближней и дальней зонах излучателя могут существенно различаться. 2. На клеточном уровне впервые показано, что ответ клеток иммунной системы -нейтрофилов мыши - на действие низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ имеет резонансноподобный характер зависимости от несущей и модулирующей частот излучения. Впервые обнаружена зависимость эффектов ЭМИ КВЧ от индукции постоянного магнитного поля, сравнимого по величине с геомагнитным полем Земли. На основе полученных экспериментальных результатов и теоретического анализа механизмов действия модулированного ЭМИ КВЧ с использованием нелинейной модели кальцийзависимых процессов внутриклеточной сигнализации впервые находят объяснение зависимость биологического эффекта от функционального состояния объекта, наличие амплитудно-частотных "окон" в ответе системы на воздействие, пороговый характер эффекта и роль шумового воздействия, как управляющего сигнала. Показана важность формы действующего на систему электромагнитного сигнала для качественных и количественных характеристик эффекта. Полученные результаты демонстрируют принципиальную возможность управления функциями клеток различного типа путем воздействия модулированным ЭМИ со специальным образом подобранными параметрами. 3. Установлено, что выраженное иммунотропное действие низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ проявляется в модификации реакций клеточного и неспецифического иммунитета. Впервые обнаружено, что облучение животных низкоинтенсивным ЭМИ КВЧ приводит к изменению организации хроматина клеток лимфоидных органов, снижает интенсивность клеточного иммунного ответа в реакции гиперчувствительности замедленного типа, уменьшает фагоцитарную активность нейтрофилов периферической крови и не влияет на гуморальный иммунный ответ на тимусзависимый антиген. Показано, что локальное воздействие низкоинтенсивным ЭМИ КВЧ вызывает дегрануляцию тучных клеток кожи, что является важным усилительным механизмом в реализации действия ЭМИ КВЧ на уровне организма с участием нервной, эндокринной и иммунной систем. 4. Показано, что низкоинтенсивное ЭМИ КВЧ оказывает выраженное противовоспалительное действие, которое проявляется в снижении экссудации и гипертермии очага воспаления. Обнаружено, что кинетика и величина противовоспалительного эффекта ЭМИ КВЧ подобны таковым при действии однократной терапевтической дозы нестероидного противовоспалительного препарата диклофенака натрия. Результаты сравнительного фармакологического анализа демонстрируют, что в реализации противовоспалительного действия низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ задействованы метаболиты арахидоновой кислоты и гистамин. Показано, что клеточные механизмы противовоспалительного действия ЭМИ КВЧ связаны с изменением функциональной активности фагоцитирующих клеток очага воспаления. Купирование воспалительных процессов при действии ЭМИ КВЧ лежит в основе эффективного использования КВЧ-терапии при лечении заболеваний, в патогенезе которых отмечаются выраженные воспалительные процессы. 5. Сформулирована "гистаминовая модель" биологического действия низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ, согласно которой происходит дегрануляция тучных клеток облучаемого участка кожи и выход гистамина в кровяное русло, где он снижает функциональную активность фагоцитов и Т-лимфоцитов, вызывая противовоспалительный эффект. Полученные результаты и анализ литературных данных свидетельствуют о том, что основные механизмы эффектов излучения могут быть связаны с активацией свободнорадикальных процессов, приводящих к изменению иммунного статуса организма и соотношения регуляторных пептидов, что в итоге ведет к системной реакции организма на воздействие низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Richard J. Fox Foundation (USA), Российского фонда фундаментальных исследований (проекты №№ 96-04-49515, 99-04-48169, 01-04-06280-мас, 03-04-49210) и EOARD/ISTC (проект №017011/№2350). |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Индивидуализация обучения химии как условие повышения качества знаний... Индивидуализация обучения химии как условие повышения качества знаний учащихсятема диссертации и автореферата по вак 13. 00. 02,... |  | Российской академии наук М. М. Горбунов-Посадов Оформление автореферата диссертации Рекомендации по содержанию и оформлению автореферата диссертации, готовящегося к печати в ипм им. М. В. Келдыша ран |
| Учебно-методический комплекс дисциплины опд. В 1 дополнительные главы... ... | | Значение коррекции неспецифических мышечно-скелетных нарушений в... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины Рецензенты: доктор экономических наук, профессор Лоскутов Владислав Иванович; кандидат физико-математических наук, зав кафедрой Математического... | | Советы по оформлению диссертации и авторефератА Ниже приведены подробные рекомендации по оформлению диссертации и автореферата, позаимствованные с web-ресурса Московского технического... |
| Введение в специальность Составитель: Чикова О. А., доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры технологии | | Покоев Александр Владимирович, профессор, доктор физико-математических наук рабочая программа Физика конденсированного состояния по физико-математическим наукам, утвержденной приказом Министерства образования и науки РФ №274... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... В. И. Игошин, доктор педагогических наук, кандидат физико-математических наук, профессор Саратовского государственного университета... | | Фгбу вниипо мчс россии Составитель: Чикова О. А., доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры технологии |
| Грузоподъемные, транспортирующие и погрузочно-разгрузочные Составитель: Чикова О. А., доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры технологии | | Эконометрика Кафедра математического моделирования Башкирского государственного университета, заведующий кафедрой доктор физико-математических... |
| Влияние электромагнитного излучения на здоровье человека макласова... Министерства здравоохранения Российской Федерациии их реализация на период 2012-2017 г г | | Программа учебной дисциплины математика для специальностей технического... Фгу «Федеральный институт развития образования» авторы: Башмаков М. И., академик рао, доктор физ-мат педагогических наук, профессор;... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Составитель: Чикова О. А., доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры технологии | | Рабочая программы дисциплины Лазерная спектроскопия Лекторы ... |
