Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Аналитическое моделирование физиологических свойств эритроцитов в потоках движущейся по сосудам крови

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Аналитическое моделирование физиологических свойств эритроцитов в потоках движущейся по сосудам крови"

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

РГБ ОД

И :

ИГНАТЬЕВ Виталий Васильевич

АНАЛИТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭРИТРОЦИТОВ В ШТОКАХ ДВИЖУЩЕЙСЯ ПО СОСУДАМ КРОВИ

Специальность 03.00.13 - физиология человека и животных

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

Санкт-Петербург 2000 г.

Работа выполнена в Военно-медицинской академии

Научный руководитель: доктор.медицинских наук, профессор, член-корреспондент РАМН, ' : ; В.О.Самойлов

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, доцент П.П.Ркмкевич.

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Пузпкарев Ю.П. доктор биологических наук, старший научный сотрудник Сунгуров А.Ю.

Ведущая организация: Институт Физиологии им.И.П.Павлова РАН ^ашдта диссертации состоится ^^С^С 2000 г. в

/6

_час. на заседании Диссертационного совета К 053.57.09. по

защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата биологических наук в Санкт-Петербургском Государственном Университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетски

набережная дом 7/9. ^¿Р

С диссертацией .можно ознакомиться в Научной библиотеке им. А.М.Горького Санкт-Петербургского Государственного университета и в библиотеке ВМедА.

Автореферат разослан 200'

ООО г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат биологических наук г и " р-и-КоЕаленко

£ $//.4 Л

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В основу настоящего исследования положены сформулированные и частично доказанные гипотезы Александра Леонидовича Чижевского о структурной организации движущейся in situ крови и электродинамических свойствах ее форменных элементов. Механические и электродинамические характеристики эритроцитов в основном определяют характер их движения по кровеносным сосудам и способность выполнять свои функции в тканях и органа::. Форма эритроцитов значительно влияет на кинетику крови в целом, которая определяется уровнем обмена веществ и энергии в тканях. Свойства эритроцитов определяют также их структурно-функциональную полноценность, обусловливают величину "электростатического распора" (по Чижевскому), что может определять реакцию потока крови на действие внешних электромагнитных полей.

Исследования, направленные на аналитическое моделирование физиологических процессов в эритроцитах при их движении по сосудам, являются фундаментальными и решают ряд проблем, важных для биологии, физиологии и медицины, что обусловливает актуальность данной теш. Они выполнены в ралах Государственной научно-технической программы "Здоровье населения России" (02."Экологически обусловленные заболевания и профилактические программы"), а также военно-медицинской проблемы "Влияние на организм неионивирующих излучений и разработка медицинских требований к защите от них".

Цель и задачи работы. Цель работы заключается в исследовании закономерностей движения крови по сосудам посредством аналитического описания и экспериментального исследования механических, а также электродинамических свойств движущихся в потоках крови эритроцитов. Для достижения этой цели решены следующие задачи: 1. Аналитическое описание механических и электродинамических свойств эритроцитов в потоках движущейся по сосудам крови. 2. Экспериментальное исследование механических и электродинамических свойств эритроцитов в потоках движущейся по сосудам' крови. 3. Сопоставление результатов аналитических и экспериментальных исследований механических и электродинамических свойств движущихся эритроцитов.

Научная новизна. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден эффект ротационной диффузии и неспецифической сорбции компонентов плазмы крови движущимися in situ по магистральным сосудам безъядерными эритроцитами. Получены в эксперименте данные,

подтверждающие осногные положения гипотезы А.Л.Чижевского о структурной организации эритроцитов е радиально-кольцевые системы. Установлены возможные механизмы появления у движущихся клеток крови нескомпенсированных отрицательных электрических зарядов. В эксперименте доказана возможность неспецифической сорбщ-ш экзогенного коллоида движущимися по магистральным сосудам безъядерными эритроцитами, а также установлено, что потоки движущейся по сосудам крови являются конвекционными электрическими токами, создающими в окружающем их пространстве электромагнитные поля. Разработаны методы регистрации реакций потоков движущейся in situ крови на действие постоянных и низкочастотных электромагнитных полей. Материалы исследования могут явиться основой для развития нового теоретико-экспериментального направления дальнейшего изучения электромеханических свойств крови животных и человека.

Практическая значимость работы. Оформлены две заявки на изобретения: 1). Способ очистки жидкостей и газов от взвесей; 2).Ротационный фильтрующий элемент. На обе заявки получены положительные решения о выдаче патентов N 93016177/26 (019560) от 24.11. •1994г. и N 93016176/26 (019559) от 15.01.1996г. из ВНШГПЗ. Практическое их применение ведется в рамках Санкт-Петербургской программы "Чистый город". В основу изобретений положены обнаруженные в нашей работе свойства движущихся в потоках крови безъядерных эритроцитов. Материалы диссертации включены в учебный процесс при преподавании биомеханики и физиологии в Санкт-Петербургских государственных Техническом и Электротехническом университетах.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации выполнен отчет НИР N Е6-94-В7 "Исследование механизмов елияния на организм электромагнитных излучений низкочастотного диапазона".опубликовано 7 научных работ, в том числе две статьи в"Физиологическом журнале им. И.М.Сеченова", получены два положительных решения о выдаче патентов на изобретения. Результаты выполненных исследований доложены и обсуждены на всероссийской и международной конференциях ¡"Ньютон и проблемы механики твердых и деформированных тел." Санкт-Петербург, Россия, март 1993 г., "Эколого-физиологические проблемы адаптации.".Москва,Россия,1994 г, а также на международном симпозиуме по"Злектромагнитной совместимости и электромагнитной экологии", Санкт-Петербург, Россия, июнь 1995 г, и на семинарах в Институте Физиологии им. И.П.Павлова РАН,1994г,1997г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит не введения, пяти глаЕ, заключения, выводов, списка" использованных источников, приложения и содержит 135 страниц машинописного текста, 37 рисунков и 4 таблицы. Библиография к ней составляет 114 литературных источников.

Положения, выносимые на защиту.

1. Движущиеся в потоках крови эритроциты, организованные в радиально-кольцевые системы, учгзствуют в двух движениях - поступательном и вращательном с устойчивой осью вращения. При этом во вращающемся эритроците in situ существует вынужденная диффузия компонентов плазмы крови через него.

2. Движущиеся in situ эритроциты имеют нескомпенсированный отрицательный электрический заряд, вследствие чего потоки движущейся крови яеляются переменными конвекционными электрическими токами - приемниками и генераторами электромагнитных полей.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы,сформулированы цель и задачи работы, её научная новизна и научно-практическая значимость, а также представлены основные положения,выносимые на защиту.

В первой главе диссертации приведены данные отечественных и зарубежных исследований, посвященные физическим свойствам и моделям подвижных клеточных (эритроцитарных) систем. Наиболее важными результата«!, полученными к 1959 г. А.Л.Чижевским и его сотрудниками при исследовании крови, являются: 1. Математическое доказательство симметричного расположения эритроцитов в кровотоке и организация их в радиально-кольцевые системы в магистральных сосудах; 2.Учет влияния на движение крови сил электростатического отталкивания, возникающих между движущимися ее клетками.Однако предположения о том, что потоки движущейся в организме крови являются конвекционными электрическими токами, а вращающиеся в ню; эритроциты должны иметь собственные магнитные моменты, не тлеют достаточного математического и экспериментального доказательства. Известны лишь единичные публикации, посвященные в основном экспериментальной проверке гипотезы А,Л.Чижевского о структурной организации движущейся крови. Из электромеханических свойств суспензий клеток описан только эффект электростатического отталкивания (распора) между ними, причем приводимая величина этого параметра

- б -

сильно отличается у разных авторов. Был описан также эффект возникновения разности потенциалов между сосудистой стенкой и потоком движущейся относительно нее крови. Обзор литературы свидетельствует об актуальности темы нашей диссертации.

Во второй главе рассмотрены аналитические модели электромеханических свойств эритроцитов в потоках движущейся крови. К таким свойствам, согласно нашей модели, относится неспецифическая сорбция.

Микроскопические наблюдения эритроцитов в норме показывают, что клетки по внешнему виду напоминают дискотороиды, эллипсоиды и т.п. Тагам образом, эритроцит можно в первом приближении представить в виде фигуры вращения. В поле сил инерции происходит перенос частиц плазмы крови от приосевой области эритроцита к его периферии и неспецифическая сорбция их эритроцитом. Приведем без доказательства выражение, определяющее полный поток частиц класса "К" через поверхность вращающегося эритроцита:

Хкбкш24тг К М 0к ^ „ р

---[2(г*)2-2(г*) + Б 1г(г) г с1г], (1)

(2 - К) КГТ г

где: М - молярная масса переносимого класса частиц; 1?г- универсальная газовая постоянная. Хк- коэффициент прозрачности областей ротационного массопереноса частиц; о^- плотность областей ротационного массопереноса.

Рассмотрим ситуацию, когда микрочастица взвеси (коллоидная

частица) попала внутрь эритроцита и под действием сил инерции продолжает свое движение иг приосевой области к его периферии. Предполагая, что данная частица может проходить только через области ротационного массопереноса в плазмолемме эритроцита, можно приближенно определить вероятность ее выхода из него:

Рв * Зод / Б = 5К , (2)

Б0д ~ полная площздь областей ротационного массопереноса; 5 - поверхность эритроцита (если 5од / Б * 0,01, то РЕ * 0,01 = 5К). Найдем количество частиц заданного класса, оседающих за единиц;/ времени на внутренней поверхности плазмолеммы эритроцита:

0к(ос) * 0к(1 - с!к) . . (3)

Вероятность оседания частиц класса "К" в теле эритроцита будет больше, чем (1 - б), так как в этом процессе помимо плазмолеммы принимают участие и все внутренние структуры эритроцита.

Таким образом, во вращающемся безъядерном эритроците должна

происходить сепарация по размерил и неспецифическая сорбция частиц плазмы крови, причем крупные частицы должны оседать около оси вращения его, а мелкие внутри него. Параметры этого процесса можно в первом приближении определить из уравнений (1,2,3).

Из нашей модели следуют также электромеханические свойства эритроцитов. Клеточные дисперсные системы имеют особенности,отличающие их от неживых грубодисперсных систем. Одна из них заключается в том, что отдельно взятая клетка помимо свободной энергии сил поверхностного натяжения имеет запас свободной энергии, обусловленный работой ее метаболических систем. Так, электростатическая составляющая свободной энергии клетки, определяемая только величиной ее трансмембранной разности потенциалов, равна:

с иПпг2Л£Ес,Г1Г2

Бэ^ - иП1/ =--(4)

2 га-га

г2 - Г1 = 1 - толщина плазмолеммы.

Используя выражение (4),определи)/ приближенно величину клетки, если ип'п * 7(М2, 1* 10 нм, п*7 мкм, Емвме.^б тогда Бэ»г4.3-104 эВ =?,0В-10~г° Дж., тогда как йэгКоя) 55 176-10 /иДж = 10,88 эВ. Следовательно, энергия живой клетки (ипп 70 мВ) на три порядка

больше энергии коллоидной частицы, хотя удельные величины свободной энергии их электростатических полей соизмеримы.

Таким образом, одним из факторов, определяющих формирование внешних конных оболочек живой клетки, может являться не только уход с ее поверхности ионов от групп СООН, но и привлечение из дисперсионной среды ионов, образующих внешнюю обкладку объемного конденсатора, изолятором которого является плазмолемма клетки.

В случае, когда объемный конденсатор (клетка) является сферическим, поверхностные плотности и величины зарядов по обегал сторонам плазмолеммы описываются следующими уравнениями: г

|6а[ = ££о|ипп1

11-ги 1СЫ = 1СН I =

(5)

(1-г)1 |чв| = |<?1| =

1 =4лее0|ипп1—--

3х! - ££о|Ь'пп1 —~ Г7 »

(1-г)1

г - внутренний радиус клетки, иПп ~ трансмембранная разность потенциалов, 1 - толщина плазмолеммы, индексы е и 1 - обозначают внешнюю и внутреннюю стороны плазмолеммы.

Подвижности внутренних и внешних зарядов клетки различны. На

ионы, находящиеся вне клетки, действуют только кулоноЕСКие силы. Ионы в движущейся клетке (эритроците) перемещаются вместе с ней, составляя единое целое. На ионное "облаке", окружающее эритроцит, помимо деформирующих его гидродинамических сил действуют электростатические силы (тормозящие ионы) со стороны эндотелиалъных меток сосуда. Следовательно, движущийся эритроцит приобретает не-скомпенсированный отрицательный электрический заряд.Электростатические силы отталкивания между живыми клетками крови, а также между ними и клетками эндотелия облегчают течение крови по сосудам, уменьшая силу внутреннего трения движущейся крови.

Пренебрегая деформацией эритроцита при совершении им свободных колебаний, можно утверждать, что каждый эритроцит в радиально-кольцевой системе обладает пятью степенями свободы. Для определения чзстот колебаний эритроцита, соответствующих его поступательному перемещению в каждой из плоскостей X.,Y,Z, воспользуемся одномерной моделью. Спектр собственных частот колебаний эритроцитов в кровотоке можно определить по формуле:

Чо Г l-rRVa^ + ¡=R4/aj* Шо. = - . 1--f (6)

aj У КЕЕСД1Э

aj = 2«э V (rtNQ), а, - для плоскости "х" равно 0,374 , а для плоскостей "у" и "г" раьно 1, Q = 0,£8, N - гематокрит.

По этой формуле (6) были рассчитаны ожидаемые средние значения собственных частот колебаний "среднего" эритроцита: iuy = 328,614 кГц , uiy, 2= 125,554 кГц . В рамках одномерной модели не учтено, что соседние эритроциты в радиально-кольцевой системе не параллельны друг другу (toy * ы2).

Другой электродинамической характеристикой потока крови in situ (конвекционного электрического тока) является мгновенное значение и ориентация вектора напряженности создаваемого им магнитного поля. Она равна:

1 - расстояние от оси цилиндра с током до

£ I коаксиальной цилиндрическои поверхности, Н = - , (7) на которой находится точка наблюдения.

2Л 1 1 > а - радиуса цилиндрз.

Согласно модели А.Л.Чижевского, движущиеся в потоке крови

эритроциты имеют высокие скорости вращения с устойчивой осью. Это допущение в сочетании с тем, что эритроциты в кровотоке могут

иметь некомпенсированные электрические заряды, Еедет к появлению у них магнитных моментов. Выражение (V) определяет тангенциальную составляющую магнитного поля. Магнитные моменты эритроцитов определяют ортогональную составляющую этого поля. Выражение, определяющее мгновенную напряженность этого поля, имеет вид:

р [Е-ЗСС1э+ЛЬ)]2+Ь2

Н'тЗ ПОЛИ = бЯЬРШ.Е.---_+

,8 поян. ьМе^Юэ+ДЮ^3 (8)

р м__

1£1 ^(с1э+ЛЬ)2+ [в_3 (йэ+ЛЬ)]г+Н2>2_<2цГг_3 (йа+ДЬ)22>2)3'

где: N - номер соседнего сечения потока крови. Эритроциты, магнитные моменты которых не совпадают с направлением

силовых линий внешнего поля, вынуждены ориентироваться по нему.

Угол поворота эритроцита по отношению к вектору скорости потока

крови определяет величину его "лобового" сопротивления потоку.

Из описанных математических моделей следует: 1. Поле центробежных сил создает условия для ускорения процесса переноса компонентов плазмы крови через эритроцит в плоскости его вращения, что ведет к неспецифической сорбции твердых коллоидных частиц плзамы в нем. Структура потоков вещества, проходящего через вращающийся эритроцит, изображена на Рис.1.

Рис.1.

Структура потокое жидкости ео вращающемся эритроците, обозначения: А-янзкомоле-кулярныи осадок,Б-высоко-вьтсд ^ -* выход " молекулярный осадок.

" * 7 * Т

I I I Ь , .

2. Движущаяся по сосудам кровь представляет собой поток отрицательно заряженных частиц. Этот электрический ток в окружающем пространстве создает переменные электромагнитные поля. 3. Собственное электромагнитное поле движущихся эритроцитов способствует появлению у них электромеханических колебаний. 4. Потоки движущейся крови реагируют на внешнее электромагнитное поле в соответствии с законами электро- и гидродинамики.

В третьей главе описаны методы и методики проведенных исследований. Метод аналитического моделирования позволяет посредства»,1 обработки дзнных опытов построить цепь логико-математических суждений, позволяющих обобщить исходную информацию об исследуемом явлении, предсказать его поведение в ноеых условиях опыта и опи-

сать его еще неизвестные свойства. В экспериментах были применены методы электронной и прижизненной телевизионной микроскопии. Для обнаружения электромагнитных колебаний эритроцитов в рассчитанном диапазоне частот применялся метод осциллоскоп™ с использованием специальной рамочной антенны. В исследованиях с-орбционных свойств механических моделей эритроцитоз использовали метод оптического светорассеивания и измеряли коэффициент поглощения водной взвеси кожевенной пыли до и после взаимодействия ее с моделью эритроцита.

Четвертая глава посвящена результата« проведенных экспериментов, а пятая - их обсуждению. Эффект неспецифической сорбции коллоидных частиц (окислов железа и нерастворимых солей свинца) движущимися in situ эритроцитами наблюдали в опытах на десяти кроликах. Всего было выполнено 120 измерений. В пергой серии опытов наркотизированным животным вводили внутривенно"магнитную жидкость" (окислы железа). Через равные промежутки времени у них брзли пробы крови, которые разбавляли в 1000 раз 0,9% раствором хлорида натрия и измеряли величину перемещения эритроцитов in vitro по градиенту постоянного магнитного поля, создаваемого в

Рис.2. Величина подъема нагруженных "магнитной жидкостью" эритроцитов в неоднородном магнитном поле В=97,5 мТл. 1-высота подъемз эритроцитов; t - время экспозиции.

Во второй серии экспериментов четырем кроликам вводили внутривенно коллоид солей свинца. После экспозиции препарата in situ в течение трех часов изготовили 115 срезов эритроцитов по стандартной электронно-микроскопической методике. На микроэлектронных фотографиях обнаружены частицыкрупные (20 и более нм.) снаружи в углублениях плазмолеммы эритроцита, а мелкие (около 10 нм.) внутри него. Полученные результаты хорошо совпадают с их теоретическим прогнозом (см.рис 1).

В третьей серии опытов на механических моделях эритроцитов (48 наблюдений), измеряли коэффициент поглощения раствора загрязненной кожевенной пылью жидкости,после обработки ее в течение 15 минут пенопластовыми дискотороидами, моделирующими эритроциты с угловой скоростью 2,4 с-1(результаты измерений приведены в Табл.1).

специальной кзмере (Рис.2.).

Отмечено осаждение кожевенной пыли внутри модели на ткани, имитирующей плазмолемму эритроцита. Параметры модели соответствовали форме среднего эритроцита, увеличенного примерно^50000 раа.

Таблица 1.

Коэффициенты поглощения водной взвеси кожевенной пыли после очистки ее механической моделью эритроцита в течении 15 минут.(исходный КПогл.= 0,54)

количество измерений коэффициент поглощения

бязевые мембраны нетканые мембраны

9 8 8 среднее 0,22 + 0,01 0,25 ± 0,01 0,23 ± 0,01 0,2(3)± 0,01 0,19 ± 0,01 0,17 ± 0,02 0,18 ± 0,01 0,18 + 0,01(3)

Тагам образом в трех сериях опытов было доказано, что движущиеся эритроциты плазмы вследствие своего вращения.

Следующие опыты имели своей целью проверить существование собственных колебаний эритроцитов, организованных в радиально-кольцевые системы. Рамочная антенна измерителя устанавливалась вблизи лучевой артерт! испытуемого. Получаемые сигналы фиксировали о экрана осциллографа. Усредненные значения собственных частот колебаний эритроцитов у испытуемых приведены в табл.2.

Таблица 2.

Средние значения измеренных собственных частот колебаний эритроцитов в кровотоке испытуемых.

номер степени свободы 1 2 3 4 5

Первая серия (мужчина) Вторая серия (мужчина) Третья серия (мужчина) Четвертая серия (женщина) 74.1±0,3 кГц 55,5+0,2 кГц 58.8+0,3 кГц 134,7+0,4 кГц 79,7±0,5 кГц 66,6+0,3 кГц 60,9+0.4 кГц 146,8+0,3 кГц 125+0,7 кГц 166,6+0,2 кГц 142,2+0,2 кГц 250,2+0,5 кГц 1,8+0,4 МГц 4,2+0,4 МГц 2,2+0,1 МГц 2,9+0.1 МГц 5,2+0,8 МГц 5,1±0,5 МГц 4,7+0,3 МГц 3,6±0,1 МГц

1,2,3 - степени свободы поступательного движения;

4,5 - степени свободы колебательного движения.

Анализ осциллограмм в процессе проведения опытов показал,

что они соответствуют изображениям модулированных сигналов. Следовательно эритроциты в крови колеблются синхронно.

Опыты с измерением собственных частот колебаний эритроцитов, движущихся по кровеносным сосудам, свидетельствовали также о том,

что они обладают нескомпенсированным электрическим зарядом. Более убедительно это доказали исследования действия электромагнитных полей низкочастотного диапазона на микрососуды. Была применена прижизненная микроскопия пародонта человека (30 исследований на трех испытуемых) и лабораторных животных (40 исследований на 4 кроликах). Для формирования электрического поля в биообъекте токовые импульсы от генератора подавали в цепь, образованную токоп-роводящими частями контактного объектива микроскопа и электродом расположенным на плече испытуемого. Магнитное поле в биообъекте формировалось катушкой намотанной на контактный объектив микроскопа. Микроизображения наблюдений фиксировали !на видеопленку. При подаче импульсного низкочастотного магнитного поля (В - 0,5 мТл и более) с частотой 0,5-2 Гц наблюдалось заметное движение петель капилляров (см. табл.3.). Действие постоянного магнитного поля на микрососуды пародонта (диаметром 10-20 мкм.) состояло в формировании в них ассоциатов эритроцитов. При отключении магнитного поля ассоциаты движущейся крови в этих сосудах исчезали.

Табл.3.

Средние величины отклонения петель капилляров в пародонте человека магнитной составляющей импульсного низкочастотного ЭМП (частота 0,5 - 2 Гц).

Диаметр Диаметр Величина Среднее от- число

капилляра, петли, магнитной клонение пет- наблю-

индукции, ли капилляра, дений

мкм. мкм. мТл. мкм. ед.

7,5 ± 0.5 60 ± 0,5 0,5 + 0,1 6.6 + 0.7 9

7,5 ± 0,5 60+0,5 1 ± 0,1 '9 + 0,4 11

7,5 ± 0,5 60+0,5 1,75 + 0,1 10,25 ±0,6 15

8,0 ± 0,5 85 +0,5 0,5 + 0,1 12,6 + 0,3 9

8,0 ± 0,5 85 ± 0.5 1 ± 0,1 15,2 ± 0,5 14

8,0 + 0,5 85 + 0,5 1.75 + 0,1 17,1 + 0,4 12.

8,2 + 0,5 83+0,5 0,5 + 0,1 15,6 ± 0,3 11

8,2 ± 0,5 83+0.5 1 ± 0,1 17,2 ± 0,5 10

8,2 + 0,5 83 + 0,5 1,75 + 0,1 21,1 + 0.3 14

При изучении реакции потоков крови в микрососудах пародонта на действие постоянного электрического поля отмечено изменение скоростей движения эритроцитов в капиллярах в зависимости от его величины и полярности. Подключение контактного объектива к отрицательному полюсу источника тока с увеличением его силы вело к замедлению кровотока в капиллярах, а при плотности тока 5= 22,3 -- 31,3 мкА/см2 происходила инверсия направления движения эритро-

цитов в них. Замена полярности тот на противоположную с увеличением его силы вела к полной остановке кровотока в наблюдаемых капиллярах, а при j = 80 - 100 мкА/см2 в пародонте кроликов хорошо были видны отдельные, вышедшие ва пределы капиллярной стенки, эритроциты.

Следующая серия опытов была проведена с эритроцитами in vitro. Исследовалось их оседание в стеклянном капилляре и влияние на этот процесс магнитного поля. Основным условием проведения опытов являлось создание на внутренней стенке стеклянного капилляра клеточного слоя из эритроцитов, который имитировал сосудистый эндотелий. Далее в стеклянный капилляр вводилась порция свежеприготовленного препзрата крови (разведение в 1000 раз см. стр.10), и подавалось импульсное магнитное поле. Заметим, что без создания слоя клеток магнитное поле не влияло на'оседание эритроцитов. Если же эритроциты, перемещались взаимодействуя с осажденными клетками на стенке капилляра, то наблюдали изменение их траектории под действием поля (б = 208 мТл). Характерная траектория одного из оседающих в пале сил тяжести эритроцитов до, в момент.и после

Рис.4.Характерная траектория движения оседающего в поле сил тяжести эритроцита (без воздействия и под воздействием импульсного магнитного поля).

Однообразие отклонения эритроцитов указывает на то, что все они имеют нескомпенсированный отрицательный электрический заряд. В табл.4 приведены средние скорости оседания эритроцитов в стеклянном капилляре (В = £08 мТл).

Синусоидальное низкочастотное магнитное поле тоже уменьшает скорость оседания эритроцитов. Без воздействия поля средняя скорость оседания была равна 27,6 мкм/с, на частоте 160 Гц она уменьшалась в 1,47 раза, а на частоте 500 Гц (В=57 мТл) - в 1,87 раза. Подвижность эритроцитов в свежеприготовленных препаратах (2 - 3 минуты после взятия крови) на порядок больше приводимой в ли-

воздействия представлена на рис.4.

первоначальная скорость оседания 32,2 Смкм/с]

"N"

"S"

скорость оседания после первого импульса 24,3 [mkm/сЗ

- после второго импульса 16,6 [мкм/сЗ

тературе. (1,1 - 2-10 8-м2-с_1-В 1) и достигает величин 15 - 18-•10~8-м2- -с"1-В"1 (рис 5).

Таблица 4.

Средние скорости движения оседающих эритроцитов при свободном падении и под действием импульсного магнитного поля

Интервал наблюдения Скорость движения эритроцитов Расстояние от стенки капилляра

танг.сост. норм.сост. результ.

I II III 0.0 ± 0,5 17,3 ± 0,6 0,0 ± 0,3 34,0 ± 0,4 18,6 ± 0,3 26,2 ± 0,6 34.0 ± 0,3 28.1 ± 0,3 26.2 ± 0,4 126 ± 10 мкм

18 16 14 12 10 8 6 4

г

Рис.5.Подвижность эритроцитов в электрическом поле в зависимости от Бремени инкубации их в изоосмоти-ческой среде. „ Обозначения: д- [Ю^пг • ■с 1-В~13, t-C10zc]; 1-0,9% NaCl; 2-плазма — крови;3-"тени" в 0,9% - NaCl.

О 4,2 18 36 54 72 90 100,8 t

Проведенные исследования вскрывают ряд механизмов поведения эритроцитов в потоках движущейся крови. Они, прежде всего, указывают на неотделимость друг от друга электрических и механических процессов, имеющих место в движущейся крови. Пренебрежение одним из них ведет к серьезным теоретическим заблуждениям, вызывающим трудности в решении ряда насущных практических задач современной биологии и медицины. Исследования реологических свойств крови в настоящее время проводятся в основном in vitro без учета ее электрических свойств и времени, прошедшего с момента ее забора. В самом деле, при извлечении крови в "пробирку" теряется влияние на нее эндотелия кровеносных сосудов, который сильно влияет на электрогенные свойства крови.

В силу существования эффекта неспецифической сорбции все множество циркулирующих в крови эритроцитов можно условно разбить на два подмножества. Подмножество эритроцитов, тлеющих малые массы и невысокие скорости вращения, вероятно, выполняет газотранспортную функцию. Подмножество относительно крупных и массивных эритроцитов сорбирует компоненты плазмы крови. Если процесс сорбции связан в основном с грубодисперсными частицами, то при иавле-

чении эритроцитов in vitro высока, вероятность образования монетных столбиков. Стабильность коллоидной частицы в "растворе" определяется соотношением между ее массой и энергией сил поверхностного натяжения. Эритроциты, как грубодисперсньге частицы, имеющие большую массу, не могут быть стабилизированы в крови только за счет энергии сил поверхностного натяжения. Между одноименно заряженными клетками крови и клетками эндотелия появляются силы электростатического отталкивания, которые противостоят их агрегации. Резонансное поглощение эритроцитами движущейся крови внешних электромагнитных полей ведет к увеличению амплитуды их колебаний и может уменьшить текучесть крови.

В заключении подведен общий итог многопланового теоретического и экспериментального материала, полученного, в результате нашей работы.

ВЫВОДЫ

1. Эритроциты в процессе движения по магистральным сосудам фильтруют плазму крови за счет вращения и сорбируют её компоненты: крупнодисперсные - на внешней стороне плазмолеммы, а мелкодисперсные - внутри эритроцита (на периферии тороида).

2. Эритроциты, сорбировавшие э?:зогенные частицы "магнитной жидкости перемещаются по градиенту магнитного поля.

3. Эритроциты, движущиеся относительно эндотелия, приобретают нескомпенсированный отрицательный электрический заряд, что предаёт потоку крови свойства конвекционного электрического тока - "мишени" внешних электромагнитных полей, которые могут изменить скорость кровотока, повернуть его вспять, выгвзть перемещения капиллярных петель в тканях.

4. Эритроциты, движущиеся по магистральным сосудам, организованы в радиально-кольцевые системы, о чем свидетельствует совпадение расчетных и измеренных значений частот их собственных колебаний.

5. Низкочастотное импульсное магнитное поле замедляет скорость оседания эритроцитов (отрицательно заряженных частиц) в стеклянном капилляре только при наличии сорбированных на стенках капилляра клеток крови за счет появления у оседающих эритроцитов тангенциальной составляющей векторз скорости.

6. Экспериментальное исследование подтвердило основные положения аналитического описания механических и электродинамических

свойств 'эритроцитов е потока;: движущейся крови.

Основное содержание работы наложено в следующих публикациях;

1. Игнатьев В.В., Рымкевич П.П. Вяакоупругость деформированных живых клеток крови.//Tes. док.Международная конференция "Ньютон и проблемы механики твердых и деформированных тел".-С.Пб., 22-27 марта 1393.-С.8.

2. Кидалов В.Н., Коваль Ю.Ф., Суббота А.Г., Игнатьев В.В. Трансформация эритроцитов, их ультроструктура, изменение в згуст-ках крови под влиянием инфракрасного лагерного излучения/7 Tes.док.на конференции "Оптикз лазеров 93" РАН и др.- С.Пб. 1993.- С.610.

3. Игнатьев В.В. Неспецифические сорбционные свойства эритроцитов млекопитающих кзк основа построения динамических ротационных фильтров очистки жидкостей и газов от взвесей.//Тез. док. Седьмого Всероссийского симпозиума "Эколого-физиологические проблемы адаптации.".- М. 1994.-С. 134.

4. Игнатьев В.В., Кидалов В.Н..Самойлов В.0.,Суббота А.Г., Суховецкая Н.Б.,Сясин В.И. Реакция эритроцитов движущейся крови млекопитающих на действие постоянных и импульсных электромагнитных полей низкочастотного диапазона.//Физиологический журнал им. И.М.Сеченова.-1995.-Т.81.N 12,- С.155-120.

5. Игнатьев В.В., Кидалов В.Н., Рымкевич П.П.,СамойлоЕ В.О. Массоперенос компонентов плазмы крови через плагмолемму эритроцитов в поле ротационных сил. // Физиологический журнал им. И.М.Се-ченова.-1996.- Т.82.N 5-6.- С.72-75.

6. Игнатьев В.В.,Кидалов В.Н. Образование эхиноцлтов как релаксационный процесс.//Тез.док.IV международной конференции

'"Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов." ЭМС-96.-С.Пб.1996.- С.493-495.

7. Игнатьев В.В.,Кидалов В.Н. Способ оценки изменений неспецифической резистентности организма по скорости перехода дискоид-ных эритроцитов в эхиноциты (по релаксации)//Сборник усовершенствования методов и аппаратуры, применяемых в учебном процессе., медико-биологических исследованиях и клинической практике. -С.Пб.ВМедА.1996.вып.27.- С.39.

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Игнатьев, Виталий Васильевич

ВВЕДЕНИЕ,

Глава ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МОДЕМ ПОДВИЖНЫХ КЛЕТОЧНЫХ (ЭРИТРОЦИТАРНЫХ) СИСТЕМ (обзор литературы).,

1.1. Механические свойства эритроцитов в покое и движении, способы их исследования,.

1.2. Электрокинетичеокие и электромеханические свойства полидисперсных систем, клеточных суспензий (эритроцитов) и сосудистой стенки,.

Глава 2, АНАЛИТИЧЕСКИЕ - МОДЕЛМЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭРИТРОЦИТОВ В ПОТОЯИКЯеёИ.

2.1. Эффект ротационной диффузии и сорбции компонентов пдае-мы крови движущимися эритроцитами,.

2.2. Электрокинетические свойства форменных элементов крови.,.,.,.,,.,.,.,.,.,.

2.3. Электромеханические колебания движущихся эритроцитов в собственном поле сил электростатического отталкивания

2.4. магнитное поле, создаваемое потоком движущейся крови,

2.5. Постановка задач на экспериментальную проверку предложенных моделей,,.,,.,,.,.,.,,.,,,.

Глава 3. МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.,.

3.1, Аналитическое моделирование как метод описания подвижных клеточных (эритроцитарных) систем,.

3.2, Методики проведенных экспериментов.

3.2.1, Методика регистрации неопецифичеоких оорбционных свойств движущихся в крови эритроцитов..

3.2.2, Методика регистрации реакции потоков крови в мелких сосудах человека и животных на воздействие низкочастотных электромагнитных полей,.

3.2.3, методика регистрации параметров движения оседающих эритроцитов при действии на них импульсного магнитного поля

3.2.4, Методика определения злектрофоретической подвижности эритроцитов в зависимости от времени их инкубации в иеооомотической среде,

3.2.5, Методика регистрации электромагнитных полей, генерируемых движущимися в потоках крови эритроцитами,

3.2.6, Электронная микроскопия,

Глава 4, РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЪНЬК ИССЛЕДОВАНИЙ,.,

4.1, Исследования неспецифических оорбционных свойств движущихся в крови эритроцитов,.

4.2, Анализ измерения параметров собственных колебаний эритроцитов в движущейся крови,.

4.3, Измерение реакции потоков крови в мелких сосудах человека и животных на воздействие низкочастотных электромагнитных полей,

4.4, Измерение параметров движения оседающих эритроцитов при действии на них импульсного магнитного поля,,,,Л

4.5, Определение злектрофоретической подвижности эритроцитов в зависимости от времени их инкубации в изооомотической среде.

Глава 5, ОБСУЩЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ,

Введение Диссертация по биологии, на тему "Аналитическое моделирование физиологических свойств эритроцитов в потоках движущейся по сосудам крови"

Актуальность темы, В середине нашего столетия Александр Леонидович Чижевский сформулировал и частично доказал ряд гипотез о структурной организации движущейся in vivo крови и электродинамических свойствах её Форменных элементов. Его представления о движущейся крови положены в основу настоящего исследования [75,76],

Механические и электродинамические характеристики эритроцитов в основном определяют характер их движения по кровеносным сосудам и способность выполнять свои Функции в тканях и органах [24,29,42,46,58,75,76].

Форма эритроцитов - обтекаемая (дискотороидальная, эллипсоидная) и необтекаемая (пойкилоцитная) значительно влияет на кинетику крови в целом, которая определяется уровнем обмена веществ и энергии в тканях [24] .

Механические и электродинамические характеристики эритроцитов определяют не только их форму и организацию в потоках крови, но и структурно-Функциональную полноценность (кислород транспортную, а главное, детокоикационную Функции),

Электромеханические свойства эритроцитов обусловливают величину "электростатического распора" ("электросмазки!?) между ними, стенкой сосуда и другими форменными элементами крови, что может определять реакцию потока крови на действие внешних электромагнитных полей [76,114].

К началу данного исследования был выполнен ряд работ, описывавших механику движущейся крови in vitro и не учитывавших электрическое взаимодействие её форменных элементов с эндотелием сосудистой стенки Е83,1053„ Известны единичные работы, посвященные структурной организации и форме эритроцитов в потоке движущейся крови, ограниченно использующие аналитическое описание физиологических процессов в ней [47,74,75,1143.

Исследования, направленные на аналитическое моделирование физиологических процессов в эритроцитах при их движении по сосудам, являются фундаментальными и решают ряд проблем, важных для биологии, физиологии и медицины, что обусловливает актуальность данной темы, Они выполнены в рамках Государственной научно-технической программы "Здоровье населения России"(02,"Экологически обусловленные заболевания и профилактические программы") , а также военн-медицинской проблемы "Влияние на организм неионизирующих излучений и разработка медицинских требований к защите от них".

Цель и задачи работы. Цель работы заключается в исследовании закономерностей движения крови по сосудам посредством аналитического описания и экспериментального исследования механических (вязко-упругих), а также электродинамических свойств движущихся в потоках крови эритроцитов,

Для достижения указанной цели решены следующие задачи:

1, Аналитическое описание механических и электродинамических свойств эритроцитов в потоках движущейся по сосудам крови,

2, Экспериментальное исследование механических и электродинамических свойств эритроцитов в потоках движущейся по сосудам крови,

3, Сопоставление результатов аналитических и экспериментальных исследований механических и электродинамических свойств эритроцитов в потоках движущейся по сосудам крови.

Научная новизна. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден эффект ротационной диффузии и неспецифической сорбции компонентов плазмы крови движущимися по магистральным сосудам безъядерными эритроцитами.

Получены в эксперименте данные, подтверждающие основные положения гипотезы А,Л.Чижевского, согласно которой эритроциты в магистральных сосудах организованы в радиально-кольцевые системы.

Установлены возможные механизмы появления у движущихся клеток крови (эритроцитов) нескомпеноировзнных отрицательных электрических зарядов.

Разработана методика экспериментального доказательства неспецифической сорбции экзогенного коллоида движущимися по магистральным сосудам безъядерными эритроцитами.

Доказано экспериментами, что потоки движущейся по сосудам животного крови являются конвекционными электрическими токами, создающими в окружающем их пространстве электромагнитные поля.

Разработаны методы регистрации реакций потоков движущейся in situ крови на действие постоянных и низкочастотных электромагнитных полей.

Материалы настоящего исследования могут явиться основой для открытия нового теоретике-экспериментального направления дальнейшего изучения электромеханических свойств крови животных и человека.

Практическая значимость работы, В процессе работы над материалами диссертации были оформлены две заявки на изобретения:

- способ очистки жидкостей и газов от взвесей;

- ротационный Фильтрующий элемент,

В основу изобретений положены обнаруженные в нашей работе свойства движущихся в потоках крови безъядерных эритроцитов. На обе заявки получены положительные решения о выдаче патентов N 93016177/26 (019560) от 24,11,1994 г, и N 93016176/26 (019559) от 15,01,1996 г, из ВНИЙГПЗ, В настоящее время они используются при создании систем очистки воды от взвесей для комплексов мойки автотранспорта замкнутого типа, Эти работы ведутся в рамках Санкт-Петербургской программы "Чистый город".

Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе при преподавании биошизики, биомеханики и Физиологии в Санкт-Петербургских государственных Техническом и Электротехническом университетах,

Полученные результаты, описывающие механику и электродинамику движущихся в потоке крови in situ безъядерных эритроцитов, используются в интересах практической медицины для разработки новых технологий диагностики и лечения заболеваний человека, связанных с нарушениями гемодинамики, а также используются для создания перспективной диагностической и физиотерапевтической аппаратуры,

Проведенное моделирование может найти применение в технике, как бионическое решение ряда ее проблем.

Публикации и апробация работы, По теме диссертации выполнен в Военно-медицинской Академии отчет НИР N 26-94-В7 "Исследование механизмов влияния на организм электромагнитных излучений низкочастотного диапазона",опубликованы семь научных работ, в том числе две статьи в?'Физиологическом журнале им, И,М.Сеченова,!} РАН,, получены два положительных решения о выдаче патентов на изобретения.

Результаты выполненных исследований были доложены и обсуждены на всероссийской и международной конференциях : "Ньютон и проблемы механики твердых и деформированных тел," Санкт-Петербург, Россия, март 1993 г.,"Зколого-физиологические проблемы адаптации,", Москва, Россия, 1994 г,, а также на международном симпозиуме по "Электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии", Санкт-Петербург, Россия, июнь 1995 г, и на семинарах в Институте Физиологии РАН им. И,П,Павлова, 1994г, 1997г,

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка использованных источников, приложения и содержит 134 страницумашинописного текста, 37 рисунков и 4 таблицы, Библиография к ней составляет 114 литературных источников,

Заключение Диссертация по теме "Физиология", Игнатьев, Виталий Васильевич

выводы

Эритроциты в процессе движения по магистральным сосудам Фильтруют плавму крови за счет вращения и сорбируют ее компоненты: крупноднспероные - на внешней стороне плазмолеммы, а мелкодисперсные - внутри эритроцита (на периферии тороида).

2, Эритроциты, сорбировавшие экзогенные частицы "магнитной жидкости1перемещаются по градиенту магнитного поля,

3, Эритроциты, движущиеся относительно эндотелия, приобретают неокомпеноированный отрицательный электрический заряд, что придаёт потоку крови свойства конвекционного электрического тока - "мишени" внешних электромагнитных полей, которые могут изменить скорость кровотока, повернуть его вспять, вызвать перемещения капиллярных петель в тканях,

4, Эритроциты, движущиеся по магистральным сосудам, организованы в радиально-кольцевые системы, о чем свидетельствует совпадение расчетных и измеренных значений частот их собственных колебаний,

5, Низкочастотное импульсное магнитное поле замедляет скорость оседания эритроцитов (отрицательно заряженных частиц) в стеклянном капилляре только при наличии сорбированных на стенках капилляра клеток крови за счет появления у оседающих эритроцитов тангенциальной составляющей вектора скорости.

6, Экспериментальное исследование подтвердило основные положения нашего аналитического описания механических и электродинамических свойств эритроцитов в потоках движущейся крови.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования вскрывают ряд механизмов поведения эритроцитов в потоках движущейся крови. Они, прежде всего, указывают на неотделимость друг от друга электрических и механических процессов, имеющих место в движущейся in situ крови. Пренебрежение одним из них ведет к серьезным теоретическим заблуждениям, вызывающим трудности и ошибки в решении ряда насущных практических задач современной биологии и медицины.

Исследования реологических свойств крови в настоящее время проводятся в основном in vitro без учета её электрофизических свойств и времени, прошедшего о момента ее забора,

В самом деле, при извлечении крови в "пробирку" теряется влияние на неё эндотелия кровеносных сосудов, который, как выяснилось, сильно влияет на электрогенные свойства крови. Далее, с течением времени, in vitro внутренний заряд эритроцитов уменьшается вследствие невосполнимого расхода клетками своих энергореоуроов,

В настоящем исследовании удалось уточнить модель структурной организации крови Ф,Л,Чижевского, Обнаружен эффект ротационного масооперенооа компонентов плазмы крови через вращающийся эритроцит, а также вызванный этим эффект неспецифической сорбции эритроцитами ряда компонентов плазмы. На внешней стороне плазмолеммы эритроцита в областях всасывания сорбируются грубодиоперсные частицы плазмы, Внутри эритроцита, ближе к его периферии, сорбируются мелкодисперсные частицы,

В силу существования эффекта неспецифической сорбции вое множество циркулирующих в крови эритроцитов можно условно разбить на два подмножества. Подмножество эритроцитов, имеющих малые массы и невысокие скорости вращения, вероятно, выполняет газотранспортную функцию. Подмножество относительно крупных и массивных эритроцитов активно сорбирует компоненты плазмы крови, Активно фильтрующие эритроциты имеют форму дискотороида или ротатора, В соответствии с такой Функцией их можно назвать фильтроцитами.

Если процесс сорбции связан в основном с грубодиспероными частицами, то при извлечении эритроцитов in vitro высока вероятность образования минетных столбиков. Эффект неопецифичеокой сорбции, кроме того, создает условия для увеличения поверхности плазмолеммы фильтрующего эритроцита.

Стабильность коллоидной частицы в растворе, как известно, определяется соотношением между ее массой и энергией сил поверхностного натяжения, за счет которой на поверхности раздела фаз образуется стабилизирующий частицу двойной электрический слой. Эритроциты, как грубодиопероные частицы, имеющие большую массу, не могут быть стабилизированы в крови только за счет энергии сил поверхностного натяжения,

В материалах второй и четвертой глав качественно рассмотрен и экспериментально подтвержден механизм стабилизации эритроцитов в крови in situ. Так, показано, что движущиеся по сосудам эритроциты, благодаря взаимодействию их с эндотелием, приобретают нес-компенсированный отрицательный электрический заряд. Между одноименно заряженными клетками крови и клетками эндотелия появляются силы электростатического отталкивания (злектро-раопор, по Чижевскому), которые противостоят их агрегации. Образно говоря, возникающее в движении между клетками электрическое поле выполняет функцию электрораопора - "злектроомазки55, облегчающей течение крови,

В настоящем исследовании впервые рассчитаны и измерены некоторые параметры электромагнитного излучения, обусловленного электромеханическими колебаниями эритроцитов в потоке движущейся крови. Кроме того, показано, что сами потоки крови являются конвекционными электрическими токами, и следовательно источниками определенного электромагнитного излучения. Согласно законам электродинамики, они же выполняют функцию приемников соответствующих внешних электромагнитных полей.

Показано, что взаимодействие потоков крови in situ с импульсными низкочастотными электромагнитными полями вызывает механические перемещения сосудов с движущейся кровью в такт с изменениями этих полей. Резонансное поглощение эритроцитами движущейся крови внешних электромагнитных полей ведет к увеличению амплитуды их колебаний и может уменьшить текучесть крови.