CC BY
24
УДК: 615.849.11
Д. В. Белик, А. С. Емцев, А. В. Шумейко, М. В. Хвостов
Магнитоэлектрическая система для стимуляции гемопоэза при снижении количества клеток крови и возрастных изменениях объема красного костного мозга
Ключевые слова: магнитоэлектрическое воздействие, стимулирование кроветворения, гемопоэз, анемия, тромбоци-топения, лейкопения, возрастные изменения объемов красного костного мозга.
Keywords: magnetoelectric effects, stimulation of hematopoiesis, hematopoiesis, anemia, thrombocytopenia, leukopenia, age-related changes of volumes of bone marrow.
Техническая система для стимулирования кроветворения, в частности при анемии, лейкопении, тромбоцитопении, позволяет усилить кроветворные функции организма в результате воздействия магнитным полем определенных параметров на структуры красного костного мозга объекта исследования.
Введение
Проблема стимуляции клеток крови в организме человека при различных симптомах нарушения кроветворной функции, таких как анемия, лейкопения, тромбоцитопения, в том числе при возрастных изменениях объемов красного мозга и роста желтого мозга, имеет большое значение. Стимуляция кроветворения необходима при нарушениях кроветворения, связанных с последствиями химиотерапии.
В настоящее время проблема лечения состояния нарушения гемопоэза в клинической практике решается с помощью лекарственных препаратов, что при определенных заболевания противопоказано.
В данной статье предлагаются варианты магнитоэлектрического воздействия на красный костный мозг человека в целях стимуляции стволовых клеток, а также их производных — гранулоцитов, лейкоцитов, лимфоцитов, эритроцитов, тромбоцитов и других клеток. Данная работа использует подход, описанный в труде [1], с изменением параметров воздействия магнитным полем (МП) для определения частоты и модуляции. В работе для воздействия МП при экспериментах на крысах была выбрана тазовая область как наиболее массированное скопление красного костного мозга.
Теория
Красный костный мозг является основным органом кроветворения, вырабатывающим из стволовых клеток гранулоциты, эритроциты, тромбоциты лейкоциты и другие клетки.
Клетки крови сохраняют жизнеспособность в организме человека от 30 до 120 дней, а в критические моменты, при болезнях, травмах — от 3 до 30 дней.
Учитывая то, что основное скопление кроветворной ткани располагается в красном костном мозге, предполагается воздействовать модулированным переменным электромагнитным полем на заданные области кроветворения.
Возможно увеличение областей воздействия путем добавления модулей системы с изменением расположения излучателей на различных областях расположения красного костного мозга.
При использовании нескольких управляемых модулей применяется их синхронизация для расширения воздействия МП на объемы красного костного мозга.
В трудах [1, 2, 5, 7] обосновываются возможные варианты воздействия на сегменты организма МП малых уровней энергии. Реакция организма человека на возмущения порядка единиц мТл и менее выражается в изменении скорости кроветворных функций организма.
До сих пор не доказано, что в организме присутствуют магнитные рецепторы, влияющие на скорость кроветворных функций [5]. Поэтому были теоретически сформулированы варианты возможной реакции систем организма на воздействие низкочастотным, модулированным МП.
Так как клетки крови имеют различные циклы циркуляции в организме, то было предположено,
что при воздействии МП рост различных клеток будет различаться в количественном отношении
Поскольку красный костный мозг в организме человека и животных находится в основном в тазовой области, были предложены варианты воздействия преимущественно на ключевую кроветворную область.
Предлагается воздействовать МП различными модулированными частотами с предположением параметрического резонанса на ретикулярную соединительную ткань, выделяющую ростовые факторы, а также на адвентициальные клетки, сопровождающие кровеносные сосуды. Данные клетки покрывают более 50 % наружной поверхности си-нусоидных капилляров, которые под влиянием различных факторов способны сокращаться, что способствует миграции клеток в кровотоке.
В гемопоэтических клетках содержится Lyn ти-розинкиназа, имеющая 512 аминокислот. Исследования воздействия импульсным электромагнитным полем показали, что Lyn тирозинкиназа — ключевой инициатор внутриклеточной активности. Облучение B-лимфоцитов, которые у млекопитающих образуются только в костном мозге, пульсирующим электромагнитным полем на частотах порядка 60 Гц, является фактором, который стимулирует активность Lyn тирозинкиназы [6].
В совокупности влияние на различные структурные составляющие системы кроветворения позволит осуществить стимуляцию производства клеток крови организмом.
Так как организм животных имеет свойство привыкать к постоянным внешним воздействиям, то предполагается, что при воздействии МП без изменения частотных параметров после стимуляции кроветворения будет наступать спад кроветворной функции.
Для наиболее глубокого проникновения в структуры костного мозга и влияния на гемопоэз использовалась несущая частота порядка десятков килогерц. Для оптимального воздействия на гемопоэз было принято использовать дополнительную модуляцию по амплитуде частотами от 10 Гц до 2 кГц.
Рис. 1 | Воздействие на тазовую область
Для влияния на суточные ритмы кроветворения предлагается использовать ультранизкочастотные излучения с периодами генерации от 102 до 0,5 • 105 с.
В процессе работы излучения производились с помощью двух приборов, которые были синхронизированы по фазе при помощи связи между приборами. На рис. 1 и 2 изображены схемы эксперимента.
Реализация
Была разработана магнитоэлектрическая система для стимуляции кроветворения, которая позволяет за счет использования модулированных переменных магнитных полей низкой частоты активизировать выработку клеток крови в красном костном мозге. Базовым элементом системы является микроконтроллер (МК) со встроенными часами реального времени и ЦАП. Частота дискретизации для ЦАП — 1 Мврв.
При помощи генерации таблиц формы сигнала была реализована модуляция порядка единиц Гц, несущей частотой порядка десятка кГц. Для этого достаточно МК с 16 кб ОЗУ. Для модуляции периодов воздействия порядка 4—12 ч были использованы часы реального времени, по которым в заданные промежутки времени осуществляется перерасчет таблиц формы сигнала с изменением амплитуды, рассчитываемые и сохраняемые в ПЗУ исходя из требуемых параметров воздействия.
ФНЧ используется для сглаживания ВЧ-шумов, сигнал с ФНЧ идет на повторитель, к которому подключен параллельный колебательный контур, настраиваемый под определенную несущую частоту в зависимости от схемы эксперимента. Конечная форма сигнала представлена на рис. 6.
На управляемом модуле присутствует индикация разряда батареи и режимов работы. Также предусмотрена кнопка для сброса.
Для реализации синхронизации один из приборов инициирует начало воздействия подачей синхроимпульса на другие приборы, а затем, через определенное опытным путем количество тактов, начинает воздействие. Другие приборы по приему синхроимпульса вызывают прерывание, которое запускает воздействие.
Функциональная схема системы представлена на рис. 3.
биотехносфера
| № 3(393/2015
Рис. 3 I Функциональная схема системы для стимуляции кроветворения
Рис. 4 | Вариант крепления системы на крысе
На первом этапе были проведены эксперименты на крысах, испытаны различные варианты крепления системы на крысе.
На рис. 4 изображен вариант крепления системы на спине крысы, который оказался неприемлемым, поскольку излучатель не был жестко зафиксирован на требуемом месте объекта исследования. На рис. 5 показан вариант крепления магнитоэлектрической системы и ее излучателей на клетке для крысы. Использование клетки решило проблему стабильности положения крыс относительно излучателей системы.
В ходе эксперимента ежедневно брали кровь у опытной и контрольной групп животных, содержавшихся в равных условиях, т. е. без питания и в отдельных клетках, но с воздействием поля для опытной группы и без воздействия для контрольной.
Для поиска оптимального варианта воздействия были выбраны значения несущей частоты порядка 10 кГц, модулирующие частоты — порядка 1 кГц и 10 Гц, период нарастания сигнала нижней моду-
Рис. 5 Техническая система для проведения исследований на крысах с использованием стандартной клетки
Моделирующая частота № 3
№ 1
№ 2
Рис. 6 | Форма сигнала для проведения эксперимента
лирующей частоты — 1-12 ч, использовали сигнал формы модуля синуса (рис. 6).
Результаты экспериментов
В течение 5 месяцев проводилась серия экспериментов на интактных животных. Так как особи мужского пола имеют более стабильный гормональ-
x10 • 9/L 25 23 21 19 17 15 13 11
x10 • 9/L
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Дни
Рис. 7
График изменения лейкоцитов в крови: -■-— WDC контроль; • • • — WBC опыт
Х10 • 9/L 14 13 12 11 10 9 8 7 6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Дни
Рис. 8
х10 12,3
График изменения лимфоцитов в крови: -Ш-— Lymph контроль; • • • — Lymph опыт
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Дни
Рис. 9
График изменения гранулоцитов в крови: -Щ-— Gran контроль; • • • — Gran опыт
ный фон, опытная и контрольная группы состояли из 4 самцов (всего 8 животных).
Длительность периода воздействия — по 4 ч в день на каждый объект исследования, всего исследование продолжалось 2 недели. При проведении экспериментов использовались следующие частоты: несущая 20 кГц, модулирующие 1 кГц и 20 Гц.
Контрольные животные во время излучения содержались в пустых клетках, без воздействия МП. На рис. 7-11 — показаны результаты проведения экспериментов в виде графиков, на которых приведены усредненные значения.
На графиках виден рост составляющих крови с 3-го дня по 9-10-й день до 11-32 %. Затем наблюдается спад, что подтверждает теоретические предположения о перестройке частот генерации составляющих крови.
При перестройке частот воздействия МП соответственно возобновляется нарастание значений составляющих крови
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Дни
Рис. 10
Х10 • 9/L 880
780
680
580
480
380
График изменения эритроцитов в крови: -Ш--RBC контроль; • • • — RBC опыт
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Дни
Рис. 11
График изменения тромбоцитов в крови: -Щ-— PLT контроль; • • • — PLT опыт
Обсуждение результатов
Исходя из результатов исследования можно сделать вывод, что, воздействуя магнитным полем на структуры красного костного мозга, возбуждается кроветворный механизм, что приводит к дополнительному выбросу клеток крови в периферическую кровь. После роста количества клеток крови, согласно графикам, наступает релаксация системы, которая может сопровождаться небольшим спадом, однако при перестройке частоты воздействия стимуляция кроветворных функций возобновляется. В дальнейших экспериментах планируется использовать девиации частоты для того, чтобы нивелировать влияние фактора привыкания организма к постоянному воздействию определенных частот МП.
Выводы и заключение
Созданная магнитоэлектрическая система для стимуляции кроветворения позволяет проводить научные исследования в этой области и имеет перспективы ее дальнейшего применения на крысах для получения статистических данных о результатах воздействия на различных частотах, а также в дальнейших экспериментах на собаках и человеческом организме.
9
биотехносфера
I № 3(39)72015
Физиология
Разработанная конструкция системы для стимуляции кроветворения может найти практическое применение для лечения состояний анемии, а также для компенсации возрастных изменений организма животного и человека.
Литература
1. Пат. № 2096048 от 20.11.1997 Способ стимуляции костномозгового кроветворения / С. А. Счастный, Г. И. Семи-кин, С. И. Щукин.
2. Бычков А. И., Ефанов О. И. Влияние вращающегося магнитного поля на рост и развитие остеогенных стромаль-ных клеток предшественников костного мозга в эксперименте на первичной и пассированной культуре тканей
in vitro // Стоматологический журнал. 2005. 1 марта. С. 61.
3. Шиффман Ф. Дж. Патофизиология крови. СПб., 2001. 448 с.
4. Белик Д. В. Магнитоэлектрическая медицина. Новосибирск, 2013. 252 с.
5. Миляев В. А., Бинги В. Н. О физической природе магнито-биологических эффектов // Квантовая электроника. 2006. № 8. С. 36.
6. Rahbek U. L., Tritsaris K., Dissing S. Interactions of Low-Frequency, Pulsed Electromagnetic Fields with Living Tissue: Biochemical. Responses and Clinical Results // Oral. Biosciences & Medicine. 2005. Vol. 2, N 1.
7. Разработка методики оценки экспрессии циркадных генов, контролирующих суточные ритмы кроветворения, в стволовых клетках костного мозга / О. Р. Цынкаловский, Б. Розенлюнд, Х. Г. Эйкен, О. Д. Лярум // Аллергология и иммунология. 2008. № 9 (1). С. 4.
Г
ОАО «Издательство "ПОЛИТЕХНИКА"
предлагает:
Системный анализ в фундаментальных и прикладных исследованиях / В. В. Кузнецов, С. В. Бабуров, А. А. Мальчевский, А. В. Самойлов, А. Ю. Шатраков; Под ред. В. В. Кузнецова. — СПб. : Политехника, 2014. — 378 с.
ISBN 978-5-7325-1048-5 Цена: 520 руб.
Монография посвящена проблемам анализа, синтеза и моделирования сложных систем различной природы. Содержание материала соответствует разделу паспорта научной специальности 05.13.01 «Системный анализ управления и обработка информации». Материалы монографии сгруппированы так, что они удовлетворяют требованиям ученых при выполнении фундаментальных и прикладных исследований. Монография рассчитана для использования учеными, специалистами-практиками, аспирантами при выполнении исследований и анализе больших, территориально распределенных технических систем, а также сложных проектов.
Для приобретения книги по издательской цене обращайтесь в отдел реализации:
Тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73; тел./факс: (812) 312-57-68; e-mail: sales@polytechnics.ru, gfm@polytechnics.spb.ru, через сайт: www.polytechnics.ru
Возможна отправка книг «Книга — почтой». Книги рассылаются покупателям в России наложенным платежом (без задатка). Почтовые расходы составляют 40 % и выше от стоимости заказанных Вами книг.
J
