Магнитный способ повышения кислородной емкости крови и контроля некоторых ее параметров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.23, кандидат технических наук Белорукова, Мария Геннадьевна

• Белорукова, Мария Геннадьевна
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Белорукова, Мария Геннадьевна

Введение.

ГЛАВА 1 Влияние магнитных полей на биологические объекты и кровь как объект приложения магнитного поля.

1.1 Дыхательная функция крови и гемоглобин как переносчик кислорода.

1.2 Реакции биологических систем на магнитные поля.

1.2.1 Обзор возможных механизмов влияния магнитных полей на биологические объекты.

1.2.2 Влияние магнитных полей на систему кровообращения и непосредственно на кровь.

1.2.3 Связывание кислорода кровью и гипоксические состояния как объект применения магнитных полей.

ГЛАВА 2 Исследование влияния магнитного поля на оксигенацию крови.

2.1 Влияние магнитного поля на гипоксические состояния живого организма.

2.2 Изучение действия магнитного поля на кровь in vitro.

2.3 Гипотеза о возможном механизме явления.

ГЛАВА 3 Контроль оксигенации крови и скорости оседания эритроцитов методом ЯМР.

3.1 Методы контроля степени насыщения гемоглобина кислородом.

3.1.1 Газохроматографический метод определения насыщения крови кислородом.

3.1.2 Магнитометрические методы.

3.1.3 Спектральные методы.

3.1.4 Электрохимические методы.

3.2 Контроль параметров крови методом ядерного магнитного резонанса.

3.2.1 Основные принципы и возможности использования

ЯМР для анализа параметров биологической жидкости.

3.2.2 Наблюдение аллотропического перехода гемоглобина в магнитном поле.

3.2.3 Зависимость сигнала ЯМР от некоторых параметров крови.

3.2.3.1 Контроль степени насыщения крови кислородом.

3.2.3.2 Метод наблюдения скорости оседания эритроцитов.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Магнитный способ повышения кислородной емкости крови и контроля некоторых ее параметров»

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с разными физическими факторами, в том числе и техногенной природы, влияющими на здоровье человека. Это влияние чаще всего является негативным по своим последствиям. В настоящее время все больше появляется объектов, испускающих электромагнитные волны, поэтому особый интерес среди прочих факторов внешней среды, действующих на организм, представляют магнитные поля различной природы.

Магнитные поля все шире внедряются в нашу жизнь, оказывая самое разнообразное действие на здоровье человека в зависимости от интенсивности поля и времени пребывания в нем. Вспомним хотя бы действие изменений магнитной активности Солнца на состояние людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Также существуют данные о взаимосвязи между самочувствием аналогичных больных и изменениями геомагнитных полей. Но все это касается природного магнетизма, тогда как ежедневно каждый человек подвержен действию магнитных полей различных бытовых приборов и промышленного оборудования. Постоянное воздействие на организм этих полей часто оказывает негативное влияние на иммунную систему, ЦНС, систему кровообращения и другие жизненно важные функции организма.

В то же время, направленное применение магнитных полей может оказаться жизненно необходимым, например, при лечении аневризм сосудов головного мозга, ЯМР-томографии и в некоторых других случаях. Сами живые объекты, в том числе и человек, обладают и собственными магнитными полями. Это свойство используется, например, при проведении магнитокардиографии и магнитоэнцефалографии. В медицинской биотехнологии ведутся исследования применения магнитных полей для изменения некоторых параметров метаболизма. Большая часть современных исследований в электромагнитной биологии включает в себя изучение биологического действия усиленных по сравнению с естественными магнитных полей. Эти многочисленные сведения можно разделить на к» кл области, где изучается силовое и индукционное действие магнитных полей, а также комбинированное, или биотропное, действие электромагнитных полей. В последнем случае речь идет об эффектах, физический механизм которых еще до конца не ясен.

Силовое действие магнитных полей используется при удалении из организма ферромагнитных частиц, при магнитном транспорте лекарств, при скреплении различных участков живой ткани. Это направление иногда не учитывает возможность биологического действия магнитных полей, хотя такая возможность существует. Индукционное действие поля применяется при бесконтактном раздражении возбудимых тканей (нервной и мышечной), а также при лечении аневризм головного мозга. В медицинской практике для лечения широко используются низкочастотные электромагнитные поля. Интерес к магнитотерапии во всем мире возрастает, о чем свидетельствует рост числа публикаций по этому вопросу, а также рост числа разработок аппаратов и устройств для магнитотерапии.

Магнитные поля действуют на все органы и ткани организма. Влияние магнитных полей на целостный организм часто оказывается вредно и разнонаправленно для разных систем органов и тканей. Существует много исследований, связанных с действием полей на кровь. Это связано с тем, что кровь, как универсальная жидкая ткань очень легко выделяется из организма, поэтому ее проще исследовать как in vivo, так и in vitro. Одной из характерных особенностей крови является наличие в ней дыхательного пигмента гемоглобина, а стало быть, способность обратимо связывать и переносить кислород от легких к органам и тканям.

Проблема кислородного голодания организма, т. е. проблема гипоксии имеет огромное значение и в клинике, и в практической физиологии человека. Существуют данные об антигипоксическом влиянии магнитных полей. В то же время некоторыми исследователями, наоборот, отмечается однонаправленное влияние на системы организма гипоксии и магнитного поля. Проблема насыщения крови кислородом при выключенном внешнем дыхании особенно остро стоит в хирургической практике. Кроме того, требуется иногда повысить кислородсвязывающую способность гемоглобина с целью временной активизации газообмена, например в ситуациях, когда организм вынужден испытывать тяжелые перегрузки. Поэтому желательно разобраться в механизме явления для широкого внедрения магнитных полей в практику терапии гипоксических состояний.

В то же время, параметры крови, а в частности, степень насыщения ее кислородом необходимо контролировать. Особенно важен этот контроль в кардиохирургии. Современные газоанализаторы в основном требуют взятия проб, то есть не удается осуществлять непрерывный контроль параметров крови во время хирургических операций. Существующие бесконтактные оптические методы анализа насыщения крови кислородом используются лишь в экспресс-анализе, так как они не очень точны. Поскольку с помощью метода ядерного магнитного резонанса возможно осуществлять контроль параметров движущихся жидкостей, а, в частности, крови в экстракорпоральном контуре обращения, то представляет интерес применение именно метода ЯМР для контроля степени насыщения крови кислородом, а также некоторых других ее параметров непосредственно во время операции.

Целью работы является изучение механизма действия постоянного магнитного поля на кровь, определение оптимальных параметров воздействия для достижения максимального эффекта антигипоксического влияния постоянного магнитного поля на кровь in vitro, разработка метода контроля параметров крови с использованием ЯМР. Для достижения этой цели были решены следующие задачи: анализ существующих клинических данных применения магнитных полей при гипоксии, анализ наиболее часто упоминаемых в литературе предположительных механизмов действия магнитных полей на биообъекты, исследование зависимости насыщения крови кислородом от ее пребывания в магнитном поле, выдвижение гипотетического механизма влияния магнитного поля на оксигенацию крови, исследование зависимости сигнала спинового эха протонов крови от степени ее насыщения кислородом, исследование зависимости сигнала спинового эха протонов крови от скорости оседания эритроцитов.

Научная новизна работы состоит в том, что исследовано влияние постоянного магнитного поля на дыхательную функцию крови и установлен антигипоксический характер этого влияния. Были определены параметры магнитного поля, применимые для достижения антигипоксического эффекта. Кроме того, установлена зависимость сигнала спинового эха протонов крови от степени насыщения ее кислородом и от скорости оседания эритроцитов. Показан линейный характер этой зависимости. Практическая ценность работы заключается в том, что предложен метод анализа скорости осаждения эритроцитов и насыщения крови кислородом с помощью ЯМР, предложен способ повышения кислородсвязывающей способности гемоглобина при хирургических операциях, выдвинута гипотеза о влиянии магнитного поля на гемоглобин. Предложенный метод анализа степени насыщения крови кислородом и скорости оседания эритроцитов может быть в дальнейшем использован для разработки автоматизированного экспресс-метода контроля в образцах крови, в системах искусственного кровообращения и в сосудах живого организма при помощи спин-эхо аппаратуры или томографии.

Способ повышения кислородсвязывающей способности крови может быть применен в хирургической практике для повышения устойчивости организма к гипоксии и дополнительной оксигенации биологической жидкости.

Теме работы посвящены две публикации. Результаты работы доложены на 3-ей научно-технической конференции аспирантов СПбГТИ(ТУ) (2000, Санкт-Петербург) и на 51-й международной конференции по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (2001, Саров). В печати журнала «Медтехника» находится одна статья. Работа выполнена в соответствии с программой конкурсного центра фундаментального естествознания «Исследование сигнала спинового эха в однородном внешнем поле» Е02-3.5-129. Лабораторные испытания результатов исследования проведены в Военно-медицинской Академии.

На защиту выносятся: результаты экспериментальных исследований влияния магнитного поля на газотранспортную функцию крови; способ повышения кислородной емкости гемоглобина при обработке крови постоянным магнитным полем определенных параметров; результаты исследования зависимости параметров сигнала ЯМР протонов крови от степени насыщения ее кислородом и от скорости оседания эритроцитов; способ анализа степени оксигенации крови, основанный на зависимости сигнала спинового эха протонов крови от названного параметра; способ определения скорости оседания эритроцитов на основании параметров сигнала спинового эха протонов крови.

Заключение диссертации по теме «Биотехнология», Белорукова, Мария Геннадьевна

выводы

1. В ходе проделанной работы исследовано влияние постоянного магнитного поля на дыхательную функцию крови и установлены закономерности этого влияния. Сделан вывод о повышении устойчивости организма к гипоксии при действии на кровь постоянного магнитного поля определенных параметров.

2. Разработан метод дополнительной оксигенации крови с помощью постоянного магнитного поля, который может быть использован при проведении хирургических операций.

3. Выдвинут гипотетический механизм явления повышения дыхательной функции крови с помощью магнитного поля.

4. Исследована взаимосвязь между сигналом спинового эха протонов крови и степенью насыщения гемоглобина кислородом. Установлен линейный характер взаимосвязи между шириной распределения протонов в образце, отнесенной к квадрату времени от подачи первого у импульса до регистрации сигнала эха, и степенью оксигенации крови. Обнаруженная взаимосвязь может быть использована для контроля степени насыщения крови кислородом при помощи спин-эхо аппаратуры.

5. В результате исследования связи броуновского движения эритроцитов с сигналом спинового эха протонов крови установлена взаимосвязь между оседанием эритроцитов в образце и затуханием амплитуды сигнала спинового эха. Установленная зависимость может быть использована для контроля оседания эритроцитов в образцах крови, в системах искусственного кровообращения и в сосудах живого организма при помощи спин-эхо аппаратуры или томографии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Белорукова, Мария Геннадьевна, 2003 год

1. D. Rawn Proteins, energy and metabolism. - Carolina biological supply company: Neil Patterson Publishers, 1989. - 71 Op.

2. Шинкаренко H.B. Перенос кислорода в живых организмах и возможные пути имитации этого процесса: монография/ ЛТИ им. Ленсовета/ЦИОНТ ПИК ВИНИТИ №8. Л., 1979.-248с.

3. Блюменфельд Л.А. Гемоглобин и обратимое присоединение кислорода. -М.: Наука, 1957. 196с.

4. Мусил Я., Новакова О., Кунц К. Современная биохимия в схемах: пер. с англ. М.: Мир, 1984. - 216 с.

5. Perutz М. F. et al. Influence of globin on heme // Bioch. 1974. - 13. -10. -P.2163 -2200.

6. Perutz M. F. Stereochemistry of cooperative effect in hemoglobin // Nature. 1970. - 228. - P.726 - 739.

7. Perutz M.F. Nature of haem-haem interaction// Nature. 1972. - 237. -P. 894-902.

8. Perutz M.F. The hemoglobin structure and respiratory transport// Sci. Amer.- 1978.-239.-P. 92.

9. Perutz M.F. Regulation of oxygen affinity of hemoglobin// Ann. Rev. Biochem. 1979. - 48. - P. 327-386.

10. Химия биологически активных природных соединений : под ред. Преображенского. М.: Химия, 1976. - 426с.

11. И Мецлер Д. Биохимия. Химические реакции в живой клетке. -М.:Мир, 1980.-482с.

12. Власов Ю.А., Смирнов С.М. От молекулы гемоглобина к системе микроциркуляции. - М.: Наука, 1993. - 246с.

13. Переносчики кислорода: Сб. науч. трудов. М.: Наука, 1979. -180с.

14. Лихтенштейн Г.И. Строение и механизм гемсодержащих ферментов и переносчиков // Успехи биол. хим. 1988. - Т.29. -С.42-51.

15. Шаронов Ю.А., Шаронова Н. А. Структура и функции гемоглобина // Мол. биол. Т.9. - вып.1. - С.112-116.

16. Иржак Л.И. Гемоглобины и их свойства. М.: Наука, 1975. - 164с.

17. Dickerson R.E., Geis I. Hemoglobin: structure, function, evolution and pathology. Menlo Park, C.A.: Benjamin/Gummings, 1983. - 306p.

18. Troilor T.G., Berzinis A.P. Binding of 02 and C02 to hemes and hemoproteins // Proc. Nat. Acad. Sci. USA Biol. Sci. 1980. - Vol.77, N6. - P.3171-3175.

19. Коржуев П.А. Проблема оксигенации гемоглобина // Успехи физиол. наук. 1973. - Т.З, №3. - С.69-112.

20. Братушко Ю.И. Координационные соединения 3d-nepexoflHbix металлов с молекулярным кислородом. Киев: Наук, думка, 1987. -168 с.

21. Довгуша В.В. и др. Биологическое действие низкоинтенсивных экологических факторов на организм человека // Экол. пром. пр-ва. 1999. - Вып.1. - С. 3-14; Вып.2. - С.9-22.

22. Григорьев Ю.Г. Отдаленные последствия биологического действия электромагнитных полей // Радиац. биология. Радиоэкология. -2000. Т.40, №2. - С.217-225.

23. Подковкин В.Г., Слободянюк И.Л., Углова М.В. влияние электромагнитных полей окружающей среды на системы гомеостаза. Самара: Самар.ун-т, 2000. - 108 с.

24. Холодов Ю.А. Электромагнитные поля и нервная система // 100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники: Тез. докл. Междунар. конф. М.,1995. - С.287-288.

25. Родионов Ю.Я. и др. Электромагнитные поля в гемодинамике. Физические механизмы взаимосвязи // Электромагнитные поля и здоровье человека: Материалы 2-й междунар. конф. М., 1999. -С.40-41.

26. Chiang Н. et al. Health effects of environmental electromagnetic fields //Journal of bioelectricity. 1989. - 8. - P.127-131.

27. Dolk H. et. al. Cancer incidence near radio and television transmitters in Great Britain // Am. J. Epidemiology. 1997. - 145(1). - P.l-9.

28. Salford L. Experimental studies of brain tumor development during exposure to continuos and pulsed 915 MHz radio frequency radiation // Bioelectrochemistry and bioenergetics. 1993. - Vol.30. - P.313-318.

29. Жуков Б.Н. Научное обоснование применения магнитных полей в медицине // Биологические эффекты электромагнитных полей. Вопросы их использования и нормирования: Сб. науч. тр. -Пущино, 1986. С.108-122.

30. Магнитобиология и магнитотерапия в медицине: Тез. докл. Всесоюзной научно-практической конференции 1-3 октября 1980. -Витебск, 1980.-234с.

31. Жуков Б.Н. и др. Клинико-биологические аспекты действия магнитного поля при хронической венозной недостаточности // Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физической культуры. 1984. - №1. - С.27-30.

32. Дорфман Я.Г. Физические явления, происходящие в живых объектах под действием постоянных магнитных полей // Влияние магнитных полей на биологические объекты: Сб. статей под ред. Ю.А. Холодова. М.: Наука, 1971. - С. 15-23.

33. Холодов Ю.А., Лебедева Н.Н. Реакции нервной системы человека на электромагнитные поля. М.: Наука, 1992. - 194с.

34. Dolk H. Biological effects of low-level low-frequency electric and magnetic fields // IEEE transaction on education. 1991. - 34(3). -P.243-249.

35. Adey W.R. Biological effects of electromagnetic fields // J. Cell. Biochem. 1993. - 51. - P.410-416.

36. Berg H., Zhang L. Electrostimulation in cell biology by low-frequency electromagnetic fields // Electro- and Magnetobiology. 1993. - 12(2). -P.147-163.

37. Blank M., ed. Electricity and magnetism in biology and medicine. San Francisco: San Francisco Press, 1993. - 396p.

38. Боголюбов B.M. Состояние и перспективы исследований биологического и лечебного действия магнитных полей // Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физической культуры. -1981.-№4. С. 1-5.

39. Бучаченко A.JL, Сагдеев Р.З., Салихов К.М. Магнитные и спиновые эффекты в химических реакциях. Новосибирск: Наука, 1978. -294с.

40. Джаксон J1.C., Брандт И.Л. Магнитная и лучевая обработка оксигенированной аутокрови у больных с гнойно-септическими заболеваниями // Прогресс и перспективы развития анестезиологии и реаниматологии. 1986. - Вып.37. - С.76-80.

41. Valentinuzzi М. Rotational diffusion in a magnetic field and its possible magnetobiological implifications // Biological effects of magnetic fields. New York: Plenum Press, 1964. - V.l. - P.63.

42. Аристархов В.М. Молекулярные механизмы биологических эффектов магнитных полей // Применение магнитных полей в клинической медицине и эксперименте: Тез. докл. 2-й поволжской конф. Куйбышев, 1979. - С. 18.

43. Пирузян J1.A., Барсегян JI.X. О влиянии постоянного магнитного поля на консервированную кровь // Применение магнитных полей в клинике: Тез. докл. куйбышевской областной конф. Куйбышев, 1976.-С.67-68.

44. Grundler W., Kaiser F. et al. Mechanisms of electromagnetic interactions with cellular systems //Naturwissenschaften. 1992. - 79. -P.551-559.

45. Kaiser F. External signals and internal oscillation dinamics: biophysical aspects and modeling approaches for interactions of weak electromagnetic fields at the cellular level // bioelectrochemistry and bioenergetics. 1996. - 41. - P.3-18.

46. Классен В.И. К механизму биологического действия слабых магнитных полей // Влияние естественных и слабых искусственных магнитных полей на биологические объекты: М-лы 2-го Всесоюзного симпозиума. Белгород, 1973. - С.33-34.

47. Барнс Ф.С. Влияние электромагнитных полей на скорость химических реакций // Биофизика. 1996. - Т.41(4). - С.790-797.

48. Fesenko Е.Е. et al. Preliminary microwave irradiation of water solutions changes their channel-modifying activity // FEBS Letters. 1995. - 366. -P.49.

49. Конюхов B.K., Логвиненко В.П., Тихонов В.И. Разделение спиновых модификаций воды и определение времени спинового перехода в молекулах воды // Известия института физики РАН им. П.Н. Лебедева. 1995. -Т.5-6. - С.83-86.

50. Fesenko E.E., Gluvstein A.Y. Changes in the state of water, induced by radio frequency electromagnetic fields // FEBS Letters. 1995a. - V.367. -P.53.

51. Лобышев В.И., Рыжиков Б.Д., Шихлинская P.E. Особенности люминесценции воды, обусловленные полиморфизмом ее структуры // Вестник РАН. Физика и астрономия. 1995. - Т.36(2). - С.48.

52. Rai S., Singh V.P. et. al. Germination responses of fungal spores to magnetically restructured water // Electro- and magnetobiology. 1994. -V.13(3).-P.237-246.

53. Акимов A.E., Бинги B.H., Лазарева Н.Ю. Изменение биологической активности жидкой воды при действии бытового телевизионного излучения // Сознание и физическая реальность. 1998. - Т.3(1). -С.72-74.

54. Бинги В.Н. Биомагнитные корреляции и гипотеза таковых состояний протона в воде // Биофизика. 1992. - Т.37(3). - С.596-600.

55. Синицын Н.А. и др. Особая роль системы «миллиметровые волны -водная среда» в природе // Биомедицинская радиоэлектроника. -1998. -Т.1. С.5-23.

56. Миненко В.И. Магнитная обработка водно-дисперсных систем. -Киев: Техннса, 1970. 168 с.

57. Дорфман Я.Г. О специфике воздействия магнитных полей на диамагнитные макромолекулы в растворах // Биофизика. 1962. -7(6). - С.733.

58. Мирошниченко Ф.Д., Стадник А.Д. Эффекты воздействия постоянных магнитных полей на макромолекулы // Биофизика. -1976. -21(1). -С.178-179.

59. Kobayashi А.К., Kirschvink J.L., Nesson М.Н. Ferromagnetism and EMFs //Nature. 1995. - V.374. - P.123.

60. Бинги B.H. Ядерные спины в первичных механизмах биологического действия магнитных полей // Биофизика. Т.40(3). - 1995.-С.677-691.

61. Lednev V.V. Possible mechanism for the influence of weak magnetic fields on biological systems // Bioelectromagnetics. 1991. - V.12. -P.71-75.

62. Chiabrera, Bianco B. The role of the magnetic field in the em interaction with ligation binding // Mechanistic approaches to interactions of electric and electromagnetic fields with living systems. New York: Plenum Press, 1987. - P.79-95.

63. Chiabrera et al. 1. Quantum dynamics of ions in molecular crevices under electromagnetic exposure. 2. Quantum analysis of ion bindings kinetics in electromagnetic bioeffects // Electromagnetics in medicine and biology. San-Francisco, 1991. - P.21-31.

64. Козлова JI.H., Козлова M.M. К анализу воздействия магнитного поля на РОЭ // Реакции биологических систем на слабые магнитные поля:М-лы Всесоюзного симпозиума. М.,1971. - С. 188.

65. Coherent excitations in biological systems. New York: Springer-Verlag, 1983. - 380 p.

66. Классен В.И. и др. Изменение концентрации кислорода в жидких средах под влиянием магнитного поля // Докл. АН СССР. 1970. -190.-С.1391.

67. Карнаухов А.В. Диссипативные структуры в слабых магнитных полях // Биофизика. 1994. - Т.39(6). - С.1009-1014.

68. Лю Б.Н. и др. Движение кислорода, растворенного в жидкости, в постоянном магнитном поле//Биофизика. 1978. -23(1). - С.159-161.

69. Александров Е.Б. и др. Интерференция атомных состояний. М.: Наука, 1991.-256 с.

70. Blanchard J.P., Blackman C.F. Clarification and application of an ion parametric resonance model for magnetic field interactions with biological systems // Bioelectromagnetics. 1994. - V.15. - p.217-238.

71. Леднев B.B. Биоэффекты слабых комбинированных, постоянных и переменных магнитных полей // Биофизика. 1996. - Т.41(1). -С.224-232.

72. Haberditzl W. Enzyme activity in high magnetic fields // Nature. 1967.- V.213, N5071. P.72.

73. Biological effects of magnetic fields. New York: Plenum press, 1964.- 242p.

74. Кобелев Л.Я. О влиянии сильных магнитных полей на процессы образования надмолекулярных структур в синтетических и биологических полимерах // Физика магнитных явлений. -Свердловск: Уральский госуниверситет, 1964. 3. - С.22.

75. Абашин В.М., Евтушенко Г.И. Анализ влияния постоянного магнитного поля на биологические системы // Влияние естественных и слабых искусственных магнитных полей на биологические объекты: М-лы 2-го Всесоюзного симпозиума. -Белгород, 1973. С.34-36.

76. Дмитриевский И.М. Магнитно-резонансный механизм действия ЭМИ малой (нетепловой) интенсивности на биообъекты и его