Ультразвуковые эффекты в мягких тканях

Ультразвук, иснользуемый 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 (1МГц; 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 микрои 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, Cl, Вг 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, С1, 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 короткого 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 на 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, дает характерную сине-фиолетовую окраску.

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

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 KI так, чтобы только нижний край образца оказался в контакте с раствором.

Рис. 3.15. Процессы:

а — фонофореза амоков йода в ткань клубня картофеля (/ - термостатирусмая кювета; 2 — образец; 3 — раствор йодистого калия); б — электрофореза (1 — электроды; 2 — образец; 3 — прокладка, смоченная раствором йодистого калия).

После облучения образца ультразвуком (0,88 МГц; 0,1…2 Вт/см²) его обмывали водой, разрезали пополам 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.

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

1,3,5,1.9 — время облучения (мин) каждого образца Для электрофореза (рис. 3.15, 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 °C 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.

Для сравнения эффектов электрофореза и фонофореза в 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 попадают 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…0.3 Вт/см² в импульсном режиме воздействия (0,88 МГц; 3…5 мин) ускоряет выздоровление при суставной патологии и способствуег 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 в 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; 0.6…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 в 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 лекарственных 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 во всем организме по отношению к p-липопротеидам крови. В тех же условиях увеличивается проницаемость стенок периферических кровеносных сосудов по отношению к трипановой сини 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 гематоэнцефалического барьера к полуколлоидным красителям. Следовательно, изменение проницаемости тканей обусловлено не только локальным действием ультразвука, но 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-Горина:

где pi, р2, рз — сопротивление межклеточной жидкости, мембраны и внутриклеточного содержимого соответственно;

Ф — величина, равная отношению суммарного объема клеток к объему всей ткани;

/- геометрический фактор, для сферических клеток/= 1,5;

а — диаметр клетки. Поскольку для большинства мягких биологических тканей Ф% 1 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.

Электропроводность ткани клубня картофеля увеличивается под.

Рис. 3.17. Относительное изменение электропроводности ткани в зависимости от интенсивности ультразвукового воздействия.

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. Импеданс — линейная функция интенсивности лишь в интервале 0,2… 1 Вт/см².

Параллельно с изменением электропроводности тканей изменяется и коэффициент их поляризации:

где Хю — комплексное сопротивление ткани, измеренное на частоте 10 кГц;

Хкюо — 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.