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, по 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 Доннана 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… З 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 синим или другими красителями не всегда пригоден для клеток, подвергнутых ультразвуковому воздействию. Сразу после ультразвукового облучения клетки могут легко окрашиваться из-за повышенной проницаемости мембран, но 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 и функционируют как интактные. Однако через 30 мин инкубации при 22 °C 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/см² SPTA 5 мин).

Ультразвуковое воздействие на клетки 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 на 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 4 °C 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.