Механизмы биологического действия ультразвука

Поток молекул через клеточную мембрану описывается первым законом Фика:

где D — коэффициент диффузии;

dc/dx — градиент концентрации вещества.

В стационарных условиях dc/dx можно заменить отношением разности концентраций сц — с к толщине мембраны:

где Р = D/1 — коэффициент проницаемости мембраны.

Для молекул, диффундирующих сквозь нее, этот коэффициент определяется толщиной мембраны и коэффициентом диффузии.

В реальных условиях слои раствора, непосредственно прилегающие к мембране, практически не перемешиваются, следовательно, концентрация диффундирующих молекул в данных слоях может существенно отличаться от концентрации аналогичных молекул в объеме. Толщина этих так называемых слоев Нернста меняется от единиц до сотен микрометров и зависит от свойств поверхности и интенсивности перемешивания раствора. Совокупность собственно мембраны с диффузионными слоями можно рассматривать как эффективную мембрану, толщину которой определяют по формуле:

где Ддп и Лх2 — толщины диффузионных слоев по обе стороны от мембраны.

Поток через мембрану описывается уравнением.

Здесь Оэфф — обобщенный коэффициент диффузии с прилегающими слоями:

ДэФФ — проницаемость;

с, С2 — концентрации молекул.

Под влиянием ультразвука величины Ддп и Д. гг существенно уменьшаются в результате интенсивного перемешивания раствора микропотоками. Соответственно уменьшается /эфф и возрастает поток веществ через мембрану.

Коэффициент диффузии в среде и диффузионных слоях также может меняться под действием ультразвука, так как цитоплазма и прилегающая к поверхности клетки среда отличаются выраженной тиксотропией, и уже при интенсивности ультразвука 40 мВт/см², используемой в диагностике, вязкость клеточного содержимого существенно уменьшается, а температура среды несколько увеличивается за счет поглощения ультразвуковой энергии (см. § 1.3). Возрастание температуры среды и уменьшение ее вязкости приведут к увеличению коэффициента диффузии в примембранных слоях, что обусловит увеличение потока молекул неэлектролитов через мембраны. Это может проиллюстрировать эффект ускорения транспорта сахаров через мембраны эритроцитов под действием ультразвука с интенсивностью 0,1 Вт/см² (см. § 3.2).

Путем обычной диффузии через клеточные мембраны в клетку проникают самые разные соединения. Помимо воды это незаряженные молекулы многих растворимых в воде веществ, в том числе многих сложных лекарственных препаратов. В то же время трансмембранный транспорт ряда жизненно важных для клетки веществ осуществляется специальными, присутствующими в мембранах клетки переносчиками. Такой транспорт по градиенту концентрации, не требующий затраты энергии, называют облегченной диффузией.

При облегченной диффузии, так же, как и в случае простой диффузии, ультразвуковые микропотоки, перемешивая среду, частично снимают диффузионные ограничения и ускоряют перенос веществ. Это подтверждается ускорением поглощения эритроцитами глюкозы из инкубационной среды при облучении суспензии клеток ультразвуком с интенсивностью 0,1 Вт/см².

При активном транспорте перенос молекул через мембрану осуществляется против градиента концентрации с затратой энергии. Действие ультразвуковых микропотоков снижает эффективность транспортировки веществ. В этом случае поток частиц, например ионов натрия, складывается из двух слагаемых:

где ;_ДИф — поток ионов Na* за счет простой диффузии;

у_{а т} — поток ионов №*, активно транспортируемых через мембрану.

Очевидно, что j_mф и /_ат противоположно направлены и в стационарных условиях равны. Под влиянием ультразвука j_wф увеличивается, а у_ат в лучшем случае не изменяется. В результате нарушается равновесие ионов на мембране, изменяется ее потенциал.

В этих рассуждениях не учитывалось действие ультразвука на структуру самой мембраны. Между тем, ультразвуковые потоки способны «смывать» с поверхности мембран биомакромолекулы (см. §§ 1.10 и 3.2). Это меняет условия экранировки зарядов на мембранах и влияет на их проницаемость и условия диффузии ионов через мембраны.

Интенсивные микропотоки способны нарушать целостность клеточных мембран, через разрывы в которых частично или полностью вытекает содержимое клеток. Этот случай может рассматриваться как предельный случай изменения условий транспортировки веществ через клеточную мембрану при ультразвуковом воздействии.

При нагревании за счет перехода энергии ультразвука в теплоту разность температур между центром клетки и ее периферией при интенсивности ультразвука Вт/см² по расчетам составляет 10~³ К, а градиент температур — 2…5 град/см. Следовательно, в этих условиях оказывается возможным изменение скоростей потоков веществ в результате термодиффузионного переноса как внутри клетки, так и через клеточную мембрану.

Потенциал Дебая (вибропотенциал), возникающий в суспензиях клеток и тканях под влиянием ультразвука, используемого в терапевтической практике, достигает 10 мВ, т. е. величин, сравнимых со значениями потенциалов клеточных мембран.

При кавитации, когда интенсивность ультразвукового излучения превышает 0,3 Вт/см², на клеточные мембраны наряду с ударными волнами, энергичными микропотоками и потенциалами Дебая, могут влиять свободные радикалы, азотная и азотистая кислоты, а также перекись водорода.

Таким образом, изменение проницаемости клеточных мембран — универсальная реакция на ультразвуковое воздействие, независимо от того, какой из факторов ультразвука, действующих на клетку, превалирует в том или ином случае.

Нарушение состава внутриклеточной среды и микроокружения клетки не может не отразиться на скорости биохимических реакций с участием ферментов, весьма чувствительных к содержанию в среде тех или иных ионов, продуктов ферментативных реакций и некоторых других веществ.

Суммируя, можно предложить следующий механизм действия ультразвука на клетки. Физико-химические ультразвуковые эффекты в среде (механические, тепловые, электрические, химические) —" нарушение микроокружения клеточных мембран (снижение градиентов концентраций различных веществ возле мембран, обратимая десорбция молекул с их поверхности, изменение мембранного потенциала, обратимое уменьшение вязкости внутриклеточной среды) -" изменение проницаемости клеточных мембран (ускорение диффузии, изменение эффективности активного транспорта, нарушение целостности мембран) —> нарушение состава внутрии внеклеточной среды —э изменение скоростей ферментативных реакций в клетке (небольшая активация и преимущественное подавление ферментативных реакций в клетках вследствие изменения оптимальных для функционирования ферментов концентраций веществ) —> развитие репаративных реакций в клетке, связанных с синтезом других веществ (синтез РНК и новых ферментов, продуцируемых клеткой для компенсации возникшего недостатка в продуктах ферментативных реакций) -> …

Из анализа этой схемы — результата существенных упрощений — следует, что специфичным в действии ультразвука на биологические системы является изменение микроокружения клеточных мембран, приводящее к нарушению процессов переноса веществ через мембраны. Дальнейшая цепочка процессов может быть инициирована и другими физико-химическими факторами, приводящими к аналогичным нарушениям, в частности, к увеличению проницаемости клеточных мембран.