Биофизические основы физиотерапии - часть 18

3.1. Воздействие электромагнитных полей

и излучений на организм

Под действием ЭМП радиочастотного диапазона в различных

тканях и средах организма происходит направленное переме-

щение заряженных частиц ионов, а также перераспределение

электрических зарядов и формирование объемного дипольно-

го момента (поляризация тканей). Упорядоченное и направ-

ленное движение ионов в тканях создает в них ток проводи-

мости. Индивидуальные процессы частотнозависимой поля-

ризации субклеточных структур и клеток, а также колебатель-

ного смешения диполей воды и биологических макромолекул

во внешнем ЭМП формируют ток смещения, плотность кото-

рого равна:

J

СМ

 = εε

0

 dE/dt,

где ε

0

 — диэлектрическая проницаемость вакуума, ε — отно-

сительная диэлектрическая проницаемость тканей, dE/dt —

скорость изменения электрического поля.

Для количественной оценки эффектов взаимодействую-

щего с организмом низкочастотного электрического тока

проводимости используют величину его плотности j

пр

 — от-

ношение силы тока к площади его воздействия (А/м), кото-

рое в соответствии с первым материальным уравнением Мак-

свелла составляет j

пр

 = λ * Е, где λ — удельная электропровод-

ность тканей, а Е — напряженность электрического поля.

Для оценки воздействия высокочастотных электромагнитных

колебаний наряду с интенсивностью (плотностью потока

энергии, ППЭ) используют специфический показатель по-

глощения SAR (Specific Absorption Rate) — мощность элект-

ромагнитных волн, поглощенную единицей массы (объема)

тела за единицу времени (Вт/кг или Вт /м

3

). При оценке

биологических эффектов высокочастотных ЭМП следует так-

же учитывать разнородность (гетерогенность) электрических

характеристик тканей, составляющих конкретный орган. Для

различных тканей граница теплового эффекта высокочастот-

ных ЭМП составляет 0,28—1,5 Вт/кг.

Постоянные электрические поля вызывают однонаправлен-

ные движения ионов к полюсам. При этом происходит также

смещение электронных облаков атомов и молекул (электрон-

ная поляризация, рис. 3.1, а) или ориентация дипольных моле-

кул (ориентационное смещение, рис. 3.1, б). В результате пере-

распределяется содержание ионов в компартментах различ-

ных тканей. За счет движения связанных ионов возможно и

вращательное смешение клеток в ЭП.

Под действием приложенного к тканям внешнего электри-

ческого поля в них возникают токи проводимости и смещения.

140

Рис. 3.1. Поляризация биологических молекул в постоянном элект-

рическом поле.
а — электронная поляризация неполярных биологических молекул: б —

ориентационное смешение полярных (дипольных) биологических молекул.

При этом положительно заряженные частицы (катионы) дви-

жутся по направлению к отрицательному полюсу (катоду), а

отрицательно заряженные (анионы) — к положительному

(аноду) (рис. 3.2. а). Наряду с перемещением ионов электри-

ческий ток изменяет проницаемость мембран возбудимых

тканей и увеличивает пассивный транспорт крупных белко-

вых молекул (амфолитов) и других веществ (явление электро-

диффузии). Под действием электрического поля в тканях воз-

никает также разнонаправленное движение молекул свобод-

ной и связанной в гидратных оболочках ионов (главным об-

разом, Nа

+

, К

+

, С1

-

) воды. Поскольку количество молекул

воды в гидратных оболочках катионов больше, чем у анионов

(рис. 3.2, б), то гидратация тканей под катодом увеличивает-

ся, а под анодом — уменьшается (электроосмос).

Рис. 3.2. Перемещение ионов в тканях в постоянном электрическом

поле (а) и электроосмос (б).

141

В организме зарегистрированы также изменения ориента-

ции клеток и их компартментов в электростатических полях

напряженностью 100—500 В/м — гальванотаксис. В отличие

от пассивного перемещения заряженных частиц (электрофо-

реза) гальванотаксис — активный биологический процесс со

значительным латентным периодом, характерный для грану-

лоцитов крови, фибробластов, остеобластов и нейронов.

Наряду с гальванотаксисом клеткам нервной ткани при-

сущ гальванотропизм, который проявляется в направлении

роста дендритов и перемещении органелл нейронов к катоду

в электростатическом поле напряженностью 0,1 — 1  к В / м .

Эти свойства используют в травматологии и неврологии для

стимуляции репаративной регенерации.

Переменные электромагнитные поля вызывают разнонап-

равленные маятникообразные движения ионов и колебатель-

ные смещения дипольных молекул, поляризация которых

пропорциональна электрической напряженности поля, а так-

же зависит от его частоты и линейных размеров биологиче-

ских молекул.

Биологические эффекты ЭМП низкой частоты (f < 10

5

 Гц)

обусловлены током проводимости, основными носителями ко-

торого являются ионы, однако плотность тока в тканях при

наведении в них внешнего ЭМП ничтожно мала и не превы-

шает 2,3*10

-3

 А/м

2

 в интерстиции и 10

-6

 А/м

2

 в плазмолемме.

При подведении к поверхности тела ЭМП с помощью элект-

родов-антенн (металлических проводников с высокой удель-

ной электропроводностью) в теле человека возникают значи-

тельные токи проводимости, способные вызвать изменение

функциональных свойств нервной и мышечной тканей орга-

низма, клетки которых обладают возбудимыми мембранами.

Пороговое значение тока проводимости, вызывающее воз-

буждение нервной и мышечной тканей, определяется часто-

той воздействующего ЭМП. С ее увеличением пороговая ве-

личина тока нарастает, и, начиная с частоты 3*10

3

 Гц, при

приложении переменного тока к коже человека возбуждения

его нервов и мышц не возникает. Не происходит и заметного

нагрева тканей в силу малого поглощения электромагнитной

энергии в низкочастотном диапазоне, так как выделяемое

тепло существенно меньше метаболической теплопродукции

организма (0,7—1,3 Вт/кг) и не превышает мощности рассе-

яния тепловой энергии биологическими тканями.

Электромагнитные излучения высокой частоты вызывают в

организме, помимо токов проводимости, значительные токи

смещения. Последние определяют преобразование электро-

магнитной энергии в тепловую, в основном за счет колеба-

тельно-вращательного смещения ориентирующихся во внеш-

нем ЭМП биологических макромолекул и диполей воды.

Физиологические механизмы теплоотдачи организма (тепло-

142

проводность, конвекция, испарение и излучение) не компен-

сируют возникающую в высокочастотном диапазоне тепло-

продукцию, в результате чего происходит нагревание облучае-

мых тканей организма. В частотном диапазоне 10

6

—2*10

7

 Гц

как ток проводимости, так и ток смешения способны вызы-

вать гипертермию. В частотном диапазоне ЭМП, превышаю-

щем 2*10

7

 Гц. напротив, ведущую роль в нагревании тканей

играет активная составляющая тока смешения.

В тканях с высоким содержанием воды длина электромаг-

нитных волн уменьшается в 6,5—8,5 раза по сравнению с воз-

духом. В тканях с низким содержанием воды указанные зако-

номерности выражены существенно меньше и длина волны

уменьшается в 2—2,5 раза. Таким образом, на частотах ЭМП

выше 3*10

8

 Гц длина волны электромагнитного излучения

меньше размеров тела человека, что обусловливает возмож-

ность только локального воздействия электромагнитных излу-

чений сверхвысокой частоты на организм больного.

В силу высокой диэлектрической проницаемости тканей с

большим содержанием воды коэффициент поглощения энер-

гии электромагнитных волн в них в 60 раз выше, а проника-

ющая способность в 10 раз меньше, чем в тканях с малым со-

держанием воды в областях α- и β-дисперсии диэлектриче-

ской проницаемости.

При помещении в постоянное магнитное поле тканей орга-

низма входящие в их состав надмолекулярные жидкокристал-

лические структуры ориентируются относительно вектора

магнитной индукции. В результате такого ориентационного

смещения формируются собственные магнитные поля надмо-

лекулярных комплексов, направленные в соответствии с пра-

вилом Ленца против внешнего магнитного поля и ослабляю-

щие его. Такой диамагнитный эффект наиболее выражен

в фосфолипидных компонентах биологических мембран.

Вследствие этого в них возникает собственный механический

вращающий момент, и они способны перемешаться в мемб-

ранах и цитозоле, но в силу выраженной вязкости цитоплаз-

мы и компартментализации клеток амплитуда таких переме-

щений не может быть значительной.

Сегодня большинство авторов при рассмотрении механиз-

мов взаимодействия переменного магнитного поля с организ-

мом считают ведущим действующим фактором вихревое элек-

трическое поле, возникающее вследствие электромагнитной

индукции. Векторы напряженности электрических полей, ин-

дуцируемых в биологических тканях переменными магнитны-

ми полями, всегда направлены перпендикулярно векторам

магнитной индукции, а их силовые линии имеют форму зам-

кнутых витков вихрей. Напряженность вихревых электриче-

ских полей, индуцированных магнитными полями, использу-

емыми в физиотерапии, достигает 50  В / м . Электрические

143

поля такой напряженности способны вызвать перемещение

заряженных частиц через мембрану, что существенно изменя-

ет их поляризацию и активирует биофизические и биохими-

ческие процессы в различных тканях организма. За счет пе-

рераспределения зарядов вихревые токи могут вызывать элек-

трохимические эффекты.

Плотность распределения индуцированного электрическо-

го поля, определяемая топографией его силовых линий (каса-

тельные к которым определяют направление вектора Е в каж-

дой точке организма), пропорциональна напряженности маг-

нитного поля и зависит от направления вектора магнитной

индукции. На результирующую картину индуцируемого элек-

трического поля в организме оказывают влияние и потенци-

альные электрические поля, возникающие в результате взаи-

модействия заряженных частиц с вихревыми электрическими

полями на границах раздела проводящих и слабопроводящих

тканей.

Указанные особенности приводят к изменению жидкокри-

сталлического состояния фосфолипидных компонентов био-

логических мембран, снижению электрокинетического (ζ-

дзета-) потенциала и индукции фазовых гель-золь переходов в

цитоплазме. Таким образом, переменные магнитные поля спо-

собны модулировать физико-химические свойства, а также

метаболическую и ферментативную активность клеток и тка-

ней организма. С повышением частоты магнитного поля воз-

никающие вихревые токи эффективно поглощаются проводя-

щими тканями, что может вызвать их значительный нагрев.

Вместе с тем магнитные поля с градиентом 1 — 1,5 Тл/мм

способны на 70—80 % снижать вероятность инициации потен-

циалов действия нейрона.

Вокруг распространяющихся в тканях токов формируются

магнитные поля. Максимальная величина магнитной индук-

ции в тканях с высокой электропроводностью, находящихся

в переменном ЭМП, не превышает 10

-10

 Тл в интерстиции и

10

-13

 Тл в плазмолемме. Анализ величин магнитной индукции

позволяет заключить, что такие поля не могут эффективно

взаимодействовать с биологическими молекулами различных

тканей организма и их влиянием можно пренебречь.

Эмпирически установлено, что мягким противовоспали-

тельным, противоотечным и седативным эффектом обладает

постоянное, низкочастотное и импульсное магнитное поле,

однако вследствие диамагнитности энергия взаимодействия

биологических молекул с магнитными полями с индукцией

порядка 10 мТл в десятки тысяч раз меньше, чем энергия

теплового движения кТ. Маловероятно поэтому, чтобы ори-

ентационные и жидкокристаллические процессы в таких маг-

нитных полях привели к заметным биологическим последст-

виям.

144

Правдоподобным и привлекательным механизмом для

объяснения возможных биологических и лечебных эффектов

магнитного поля является магниточувствительный процесс

рекомбинации свободных радикалов в биологических тканях.

Это механизм переключения, обусловленный наличием сверх-

тонкого взаимодействия собственных магнитных моментов

электронов со спинами ядер (например, протонов) реагирую-

щих молекул. Теоретически доказано, что скорости реакции с

участием радикальной пары могут существенно (на десятки

процентов) изменяться в магнитных полях с индукцией всего

1—50 мТл. Происходит это из-за того, что в отсутствие влия-

ния внешнего поля, когда все спиновые состояния изоэнер-

гетичны, благодаря взаимодействию магнитных моментов

протонов и неспаренных электронных радикалов постоянно

происходят синглет-триплетные и триплет-триплетные пере-

ходы между S-состоянием и тремя возможными Т-состояния-

ми: T

+1

; T

0

; T

-1

. Индексы характеризуют проекцию суммарно-

го электронного спина радикальной пары, равную соответст-

венно + 1; 0; -1.

Во внешнем магнитном поле, превышающем локальные

магнитные поля ядер, энергетические уровни T

+1

 и T

-1

 рас-

щепляются (эффект Зеемана) и переходы S -> T

-1

 и S -> T

+1

становятся менее вероятными из-за сдвига энергетических

уровней. В предельном случае в магнитном поле частота

синглет-триплетных переходов может снизиться в три раза.

Заметное влияние магнитного поля на систему будет воз-

можно, однако, только тогда, когда спиновая подсистема

радикальной пары за время своей жизни т не успевает прий-

ти к тепловому равновесию. В случае теплового равновесия

вероятность реализации сдвига реакции определяется мно-

жителем ехр (р

м

 В/kТ), где р

м

 — собственный магнитный

момент электрона, В — индукция магнитного поля, kТ —

энергия теплового движения. В полях с индукцией в десятки

миллитесла (мТ) влияние магнитного поля будет пренебре-

жимо малым.

Ситуация качественно изменяется, если время жизни ра-

дикальной пары τ меньше времени прихода возмущенной

спиновой подсистемы к тепловому равновесию Т

1

, т.е. τ < Т

1

.

На время релаксации спиновой подсистемы к тепловому рав-

новесию существенное влияние оказывает структура воды.

Поскольку переносчиками неспаренных электронов зачастую

бывают молекулы, локализованные в мембране, а структура

примембранной воды может быть высокоупорядоченная, то

влияние магнитною поля на активность ферментов-парамаг-

нетиков в опытах in vivo и in vitro может существенно разли-

чаться. Например, окружение структурированной волы уве-

личивает время приходи спиновой подсистемы Т

1

 к теплово-

му равновесию. Спин-решеточная релаксация с ростом тем-

145

пературы в воде растет, и в примембранной воде время Т

1

также увеличивается.

Магнитное поле снижает частоту синглет-триплетных пе-

реходов вследствие расщепления вырожденного триплетного

уровня на три подуровня с различной энергией. Основные

антиоксидантные ферменты — супероксиддисмутаза (СОД) и

каталаза — более активны в синглетном состоянии, и сниже-

ние частоты синглет-триплетных переходов повышает актив-

ность эндогенных антиоксидантных систем организма, вслед-

ствие чего возможно объяснение механизмов действия посто-

янного либо низкочастотного переменного и импульсного

магнитного поля через его влияние на переходы электронов и

свободнорадикальные реакции. Лазерное излучение стимули-

рует тканевое дыхание и в качестве побочного эффекта избы-

точный синтез активных форм кислорода. Магнитное поле

при этом выступает фактором активации ферментов антиок-

сидантной защиты.

При анализе механизмов лечебных эффектов магнитотера-

пии следует учитывать, что уровень энергии магнитного взаи-

модействия ионов и биологических молекул (10

-24

 Дж) на три

порядка ниже энергии их разупорядочивающего теплового

движения кТ (10

-21

 Дж) («феномен кТ») и явно недостаточен

для изменения их ориентации в пространстве. Существующие

линейные модели не могут объяснить этот «энергетический»

парадокс. В связи с этим трудно прогнозировать специфич-

ность и значимость лечебных эффектов низкочастотной маг-

нитотерапии, что подтверждают и противоречивые клиниче-

ские наблюдения.

В последнее десятилетие предложены иные, нелинейные

модели взаимодействия слабых магнитных полей с биологи-

ческими системами, в которых непосредственной «мишенью»

избирательного воздействия слабых магнитных полей явля-

ются катионы. Например, модель «циклотронного резонанса»

предполагает, что движение ионов по спиральной траектории

ускоряется на циклотронных частотах, определяемых взаимо-

влиянием параллельной составляющей постоянного и пере-

менного магнитных полей, причем последнее обеспечивает

избирательное поглощение электромагнитной энергии и по-

вышает скорость перемещения ионов по каналам в биологи-

ческих мембранах.

Последующий анализ показал, что увеличения вероятно-

сти перемещения катионов через биомембрану можно до-

стичь и без внешней «накачки» энергии в α-протеиновый

комплекс ионного канала, а путем периодического измене-

ния кинетической энергии движущихся по нему катионов.

Такая модель «ионного параметрического резонанса» (ИПР)

предполагает, что первичным звеном в цепи кооперативных

реакций биологических систем является ион Са

2+

, специфи-

146

чески связанный с Са

2+

-связывающими центрами протеинов

и являющийся мессенджером действия различных стимулов

на метаболизм клеток, а также другие катионы, способные

модулировать кинетику ферментативных реакций метаболиз-

ма клеток.

Модель ИПР основана на воздействии параллельно на-

правленных постоянной B

dc

 и переменной В

ac

, которые явля-

ются компонентами результирующего вектора индукции маг-

нитного поля В. ИПР может наблюдаться при амплитуде пе-

ременного магнитного поля, сопоставимой с индукцией по-

стоянного магнитного поля Земли (40...70 мкТл). Частота

переменного магнитного поля, вызывающего ИПР, определя-

ется формулой Борна:

где f

p

 - резонансная частота переменной компоненты поля,

Гц; q — заряд иона, Кл; m — масса иона, кг; B

dc

 — величина

индукции постоянного поля Земли, Тл (30—50 мкТл); n —

валентность иона (целое число, равное 1, 2, 3 ...).

В зависимости от параметров магнитного поля, отвечаю-

щих условиям ИПР различных ионов, представляется воз-

можным модулировать связанную с подвижностью (согласно

электродиффузионному уравнению Нернста—Планка) плот-

ность потока катионов через биомембраны и вероятность их

распределения между липидной и водной фазами, рассчиты-

ваемую по формуле Борна.

Параметрический резонанс ионов способен привести сис-

тему «ионный канал — ион» в неустойчивое состояние и уси-

лить флюктуации ионов малой амплитуды, неизбежные в та-

кой колебательной системе, какой является живая клетка, в

которой всегда имеются структуры с соответствующей внеш-

нему магнитному полю частотой собственных колебаний и

синхронные с его фазой. Такими структурами могут быть ка-

тионы кальция, прямо или косвенно участвующие в реализа-

ции надежно зарегистрированных лечебных эффектов. В этих

условиях низкоинтенсивное магнитное поле усиливает амп-

литуду колебаний и перемещений таких структур, что являет-

ся основой генерализованных кооперативных реакций, со-

ставляющих суть «информационного» воздействия.

Представления о квантах теплового движения, равных kТ,

имеют смысл для систем, находящихся недалеко от статисти-

ческого равновесия. Известно, что метаболизм живых тканей

составляет совокупность преимущественно неравновесных

процессов. Если время воздействия магнитного поля больше

характерного времени релаксации составляющих его биомо-

лекул, квант поля вызывает большое относительное измене-

ние энергии некоторых степеней свободы биомолекул, кото-

147