CC BY
48
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2020 - V. 27, № 3 - P. 99-102
УДК: 579.63; 621.372:616.24 - 002.5:615.849.19 DOI: 10.24411/1609-2163-2020-16692
О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НЕТЕПЛОВОЙ РЕЗОНАНСНОЙ СВЧ В МЕДИЦИНЕ Б .Л. ИХЛОВ, А.Ю. ОЩЕПКОВ, И.Л. ВОЛЬХИН
Пермский государственный национальный исследовательский университет, ул. Букирева, д. 15, г. Пермь, Пермский край, 614068, Россия
Аннотация. Цель исследования - обосновать возможность угнетающего действия микроволн на различные патогенные микроорганизмы, в том числе на Mycobacterium tuberculosis. Материалы и методы исследования. Использовались штаммы М. Avium 104, имеющий структуру, подобную микобактериям туберкулеза, и Mycobacterium tuberculosis H37Rv, микроволновый генератор Agilent Technologies Е82570 1, с плотностью потока мощности 2,5 мВт/см2, для определения устанавливаемых на генераторе частот излучения рассчитывались собственные частоты крутильных колебаний спиралей молекул ДНК бактерий. Исследовалось воздействие слабого сверхвысокочастотного электромагнитного поля на болезнетворные микроорганизмы в плане применения сверхвысокочастотного электромагнитного поля во фтизиатрии. Штамм М. Avium и штамм Mycobacterium tuberculosis HstRv (Pasteur) АТСС 25618 в пробирках подвергались облучению в течение 6 клеточных циклов, 6 и 114 часов соответственно, при этом штаммы изолировались от действия дневного света. Результаты и их обсуждение. Показано, что нетепловое резонансное сверхвысокочастотное электромагнитное поле полностью уничтожает штаммы М. Avium. Показано, что нетепловое резонансное сверхвысокочастотное электромагнитное поле вызывает сильное ингибирование роста Mycobacterium tuberculosis. Определены частоты сверхвысокочастотного электромагнитного поля, которые должны угнетать М. Avium, Mycobacterium tuberculosis и другие болезнетворные бактерии.
Ключевые слова: ДНК, СВЧ ЭМП, микобактерии туберкулеза, гормезис, ингибирование.
ABOUT THE POSSIBILITY OF APPLICATION OF A NON-THERMAL RESONANT MICROWAVE IN MEDICINE
B.L. IKHLOV, A.Yu. OSHCHEPKOV, I.L. VOLKHIN Perm State National Research University, 15 Bukireva str., Perm, Perm Krai, 614068, Russia
Abstract. The research purpose is to substantiate the possibility of the oppressive effect of a weak microwave field on different pathogenic microorganisms, including Mycobacterium tuberculosis. Materials and methods: M. Avium 104 strain, which had a structure similar to mycobacterium tuberculosis, and Mycobacterium tuberculosis H37Rv strain, an Agilent Technologies E82570 1 microwave generator with a power flux density of 2.5 mW/cm2 were used, and to determine the radiation frequencies installed on the generator, the natural frequencies of torsional vibrations of helices of DNA molecules of bacteria were calculated. The effect of a weak microwave electromagnetic field (microwave electromagnetic field) on pathogens in terms of the use of microwave electromagnetic fields in phthisiology was studied. The strain M. Avium and strain Mycobacterium tuberculosis H37Rv (Pasteur) ATCC 25618 in tubes were irradiated for 6 cell cycles, 6 and 114 hours, respectively, while the strains were isolated from exposure to daylight. Results: It was shown that non-thermal resonant microwave EMF completely destroys M. Avium strains. Non-thermal resonant microwave EMF has been shown to strongly inhibit the growth of Mycobacterium tuberculosis. The frequencies of microwave EMF, which should inhibit M. Avium, Mycobacterium tuberculosis and other pathogenic bacteria, were determined.
Keywords: DNA, microwaves, tuberculosis, survival, inhibition.
Введение. В [6] показано, что сверхвысокочастотное электромагнитное поле (СВЧ ЭМП) вызывает существенное (до 50%) снижение выживаемости му-тантного штамма Е. coli her' ехг'. В [5] были высказаны и доказаны предположения, что молекула ДНК способна поглощать СВЧ ЭМП совпадающее по частоте с собственной частотой крутильных колебаний ее спирали, приходя в возбужденное состояние. Также предположено и доказано, что СВЧ ЭМП резонансной частоты крутильных колебаний ДНК воспрепятствует репликации ДНК и делению клетки, вследствие чего клетка погибнет.
Цель исследования - показать возможность санитарной обработки, профилактики и, вероятно, лечения бактериальных заболеваний, в первую очередь, туберкулеза, методом нетепловой резонансной микроволновой терапии.
Материалы и методы исследования. Для доказательства возможности применение нетепловой СВЧ в медицине сделаны следующие шаги.
Первый шаг. В данных [5] был сделан перерасчет зависимости снижения выживаемости Е. coli her' ехг' от времени экспозиции СВЧ ЭМП на зависимость снижения выживаемости от частоты. Обнаружено, что кривая имеет выраженный резонансный характер, определена резонансная частота.
Второй шаг. С помощью лагранжева формализма определена частота крутильных колебаний спирали ДНК: f = 21,75 / V?7, где частота измеряется в ТГц, а N - число пар нуклеотидов. Коэффициент в формуле рассчитан подстановкой в формулу полученной резонансной частоты и числа пар нуклеотидов ДНК Е. coli her' ехг' и отражает интегральным образом жесткость спирали ДНК, ее упаковку, ее окружение и прочие факторы. С помощью формулы определена резонансная частота для ДНК другого штамма Е. coli, АТСС 25922, чья ДНК содержащей 5 130 767 пар нуклеотидов [3].
Третий шаг. Обнаружено, что на расчетной час-тоге резонансное для ДНК Е. coli АТСС 25922 СВЧ
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2020 - V. 27, № 3 - P. 99-102
ЭМП резко (до 20%) снижает выживаемость (по отношению к контролю).
Следовательно, было доказано, что предположения о резонансном поглощении СВЧ ЭМП молекулами ДНК, о препятствии этого поля репликации и гибели бактерий из-за прерывания процесса репликации справедливы. Отсюда очевидно, что СВЧ-поле способно подавлять и другие инфекции и быть использовано при лечении инфекционных заболеваний.
Для проверки использовались лабораторный штамм М. avium 104 (subsp. hominissuis, в качестве подопытного, данный штамм был выделен из крови ВИЧ-инфицированных, безопасный для здорового человека, штамм вызывает гибель ВИЧ-инфицированных), и Mycobacterium tuberculosis H37Rv. Нуклеотидная последовательность хромосомной ДНК М. avium состоит из 5 475 491 пар нук-леотидов [9]. Следовательно, резонансная частота крутильных колебаний данной молекулы ДНК -9,3 ГГц. Цикл клеточного деления - 1 час.
Источником СВЧ-излучения служил генератор Agilent Technologies £82570 1.
Схема экспериментальной установки для изучения биологических объектов приведена на рис. 1. При включении источника питания 1 в СВЧ-генераторе 2 возникают СВЧ гармонические колебания: волна Ню мощностью 1 Вт, которые проходят через ферритовый СВЧ-вентиль 3, СВЧ-аттенюатор 4 и далее через коаксиально-волноводный переход 5, гибкий коаксиальный кабель 6, коаксиально-волноводный переход 7, пирамидальную СВЧ-антенну 8 и облучают объект 9.
1
V
-о-
2 3 4 5 6 7
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
Опытный и контрольный штаммы изолировались от воздействия дневного света. Плотность потока мощности - 2,5 мВт/см2. Время экспозиции подбиралось из следующих соображений: цикл деления Е. coli - до 30 мин, эксперимент [4] показал, что 150 мин экспозиции недостаточно, чтобы преодолеть сопротивляемость штамма E.coli, но достаточно шести циклов деления, т.е. трех часов, чтобы выживаемость снизилась на 80%. Отсюда максимальное время экспозиции выбрали равным 1 час х 6 = 6 часам. Культуры облучались в стеклянных, защищенных от света пробирках.
Культуры М. Avium 104 и Mycobacterium tuberculosis H37Rv растирали стеклянными бусами питательной жидкой среде Middlebrooks 7Н9 с помощью Vortex. Отстаивали 10 мин. Переносили в стерильную пробирку и доводили питательной жидкой средой Middlebrooks 7Н9 по стандарту мутности №5 ГНИИСК (5*108 КОЕ/мл). Разводили 10 раз. Стеклянные пробирки диаметром 15,5 мм, с толщиной стенки 1 мм -тщательно закрывали стерильными резиновыми
пробками. Высота столба жидкости с микроорганизмами - 10 см.
Таблица 1
Зависимость выживаемости М. Avium от времени экспозиции
Экспозиция, час 2 3 4 5 6
Выживаемость, % 121 103 28,3 5 0
В дополнительных двух сериях экспериментов получены следующие усредненные данные, представленные в табл. 2.
Таблица 2
Зависимость выживаемости М. Avium от времени экспозиции
Экспозиция, час 1 3 5
Выживаемость, % 173,6 100,9 12,5
Примечание: ввиду малого числа серий приведены лишь усредненные величины
Штамм Mycobacterium tuberculosis H37RV (Pasteur) АТСС 25618 получен из государственной коллекции патогенных микроорганизмов и клеточных структур «ГКПМ-ОБОЛЕНСК» ФБУН ГНЦ ПМБ. Культура тест-микроба свежая, 4-х дневная.
Длина ДНК эталона патогенной МБТ H37Rv составляет 4 411 529 пар оснований. Следовательно, резонансная частота крутильных колебаний ДНК данной МБТ - 10,36 ГГц. Цикл деления - 14-18 часов [2].
В табл. 3 и 4 представлена зависимость выживаемости H37RV от времени экспозиции.
Таблица 3
Число колоний H57RV. Инкубация 21 день. Зависимость выживаемости H57RV от времени экспозиции
РАЗВЕДЕНИЕ 1 2 3 4 5 6
КОНТРОЛЬ Обильный Обильный Умеренный 32 3 нет
рост рост рост роста
ОПЫТ 19 2 нет роста нет нет нет
роста роста роста
Таблица 4
Число колоний Н37ЙР. Инкубация 21 день. Зависимость выживаемости Н57ЙР от времени экспозиции
Экспозиция, час 19 72 114
Выживаемость, % 172,7 125,0 0,1
Облучение велось при 23 градусах. Пик размножения H37Rv при температуре 30-40 градусов [7]. Однако и при 23 градусах данные бактерии размножаются достаточно интенсивно, сохраняя популяцию во влажной среде в отсутствие света до 7 лет.
Из табл. 1, 2, 3 и 4 видим, что в начале экспозиции происходит резкий рост культуры, через 3 часа СВЧ-поле снижает число колоний до контрольного, через 5 часов - до 5-12,5%, и за 6 клеточных циклов уничтожает М. Avium полностью.
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2020 - V. 27, № 3 - P. 99-102
Через 114 часов непрерывного СВЧ-облучения отмечается сильное ингибирование роста Mycobacterium tuberculosis H37RV - в 1000 раз.
Повышение выживаемости за короткое время экспозиции объясняется стимуляцией метаболизма бактерий, вызванного экспрессией ряда генов, что приводит к снижению коэффициента смертности в уравнении Ферхюльста. Повышение выживаемости за короткое время экспозиции отмечалось и ранее, в малых дозах (при времени экспозиции порядка одного клеточного цикла) проявляется стимулирующее действие - эффект электромагнитного гормезиса, который может быть вызван полями разного диапазона частот, в том числе СВЧ.
Деление Е. coli под воздействием ЭМП с частотами 8,55 и 9,22 ГГц ускоряется примерно на 30% [3].
Возникает вопрос: почему же на резонансной частоте, которая гасит репликацию ДНК и заставляет бактерию откладывать на некоторое время деление, на первом клеточном цикле выживаемость все же возрастает, пусть меньше, чем на нерезонансных частотах? Можно было бы предположить, что эффект вызван тепловым разогревом. Но гормезис наблюдается и при нетепловых плотностях потока мощности СВЧ.
То, что гормезис при действии СВЧ на первом клеточном цикле проявляется как у Е. coli , так и у М. avium 104 (subsp. hominissuis), говорит о том, что механизм данного типа гормезиса - единый. Во всяком случае, всплеск выживаемости на первом клеточном цикле указывает на неполноту уравнения Ферхюльста с постоянными коэффициентами и на необходимость его модификации путём введения переменных параметров роста и гибели микроорганизмов [8].
Скорее всего, авторы [3] оценивали не увеличение частоты делений, а увеличение выживаемости. После экспоненциальной фазы выживаемость бактерий выходит на плато, когда число удвоившихся бактерий ровно компенсируется числом погибших. Единственным разумным, не противоречащим эксперименту и логике предположением может быть следующее: на первом клеточном цикле СВЧ заставляет часть бактерии, готовых к делению, отложить его. Ту же часть бактерий, которые должны погибнуть, то есть, те, которые не собирались удваиваться с репликацией ДНК, СВЧ стабилизирует. Стабилизация касается ДНК в хромосоме, которая ускоряет метаболизм клетки.
Как показано в [1], облучение суспензии клеток Е. coli ЭМП СВЧ сопровождается дифференциальными изменениями в уровне экспрессии генов rpoS, rpoH, rpoA, rpoB, dps и hns. Возможно, именно это приводит к резкому снижению смертности бактерий при воздействии поля в течение первого (что существенно) клеточного цикла.
Если же частота не резонансная, действие СВЧ может вызвать какие-либо продольные, изгибовые колебания в ДНК, крутильные колебании кольца ДНК как целого или крутильные колебания полови-
нок, четвертей и т.д. кольца ДНК, и привести к уменьшению клеточного цикла, т.е. к ускорению деления бактерий - также за счет экспрессии генов. Эксперимент показывает значительно меньший всплеск выживаемости на резонансной частоте.
Как видно из табл. 1, 2 и 3, резонансное СВЧ-поле при достаточной экспозиции (6 клеточных циклов) оказывает угнетающее влияние не только на Е. coli и на микобактерии М. Avium, но и на Mycobacterium tuberculosis. В связи с этим логично предположить возможность применения нетепловой СВЧ-терапии во фтизиатрии. В сравнении с химиотерапией использование СВЧ обладает рядом преимуществ: его применение охватывает короткий срок -4-5 суток; его применение безвредно, не вызывает побочных эффектов или неприятных ощущений.
Если тепловое СВЧ излучение проникает на глубину 8-12 см в организм, то нетепловое поле свободно проходит через тело человека, в том числе через кровь (она ведет себя на СВЧ как диэлектрик), задерживаясь только в клетках Mycobacterium tuberculosis из-за резонанса молекул ДНК. Все фрагменты клеток человеческого организма имеют гораздо более высокую резонансную частоту [9, 10], ДНК клеток человека, наоборот, имеют существенно меньшую резонансную частоту, поэтому резонансное СВЧ ЭМП их не затрагивает. ДНК плазмиды человека - 300 тыс. пар нуклеотидов, т.е. длина волны
- составит 0,75 мм. Длина молекулы РНК человека -около 0,026 мкм, состоит она примерно из 70 нуклеотидов, явно вне СВЧ-спектра. Митохондриальные ДНК человека содержат 104 пар нуклеотидов. Следовательно, собственные частоты всех перечисленных компонент клетки слишком велики и тоже лежат вне СВЧ-спектра.
Разумеется, не обязательно должны возбуждаться именно крутильные колебания, возможно возбуждение и квантованных вращательно-колебательных движений молекулы. Например, вращательный спектр трифторйодметана (CF3I), лежит в диапазоне 6-18 ГГц. Для аммиака (NH3) -инверсионное расщепление энергетических уровней
- спектр лежит в диапазоне 1-4 см (3-1,33 ГГц) -1,3 см, для молекулы ND3 - 15-18 см. Однако враща-тельно-колебательные спектры клеточных макромолекул располагаются вне СВЧ-диапазона, в УФ- и ИК-областях, те же спектры содержащихся в клетке катиона NH.f или анионов Н2РО4 > НРОг , НСОз , N032SO4 2 - тоже в терагерцовой и ИК-областях. Кроме того, пик поглощения крайне узкий. Достаточно отклонения в 1000 пар нуклеотидов, чтобы поглощение ослабло в 2,72 раза, таким образом, СВЧ ЭМП не вызовет дисбактериоза.
Заключение. Получено среднее снижение по отношению к контролю выживаемости бактерий М avium в зависимости от времени экспозиции СВЧ-поля, представленное в табл. 1.
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2020 - V. 27, № 3 - P. 99-102
Получено снижение выживаемости
Mycobacterium tuberculosis H37RV. под воздействием СВЧ-излучения (табл. 3,4).
Поскольку метод разведений неточен, а число серий невелико, из данных табл. 1, 2 и 3 можно судить лишь о качественном различии опыта и контроля. Малое число серий отчасти извиняет тот факт, что сходные результаты получены на четырех бактериях: Е. coli her' ехг', Е. coli АТСС 25922, М. Avium 104 и Mycobacterium tuberculosis H37RV. Можно лишь утверждать, что нетепловое резонансное микроволновое поле резонансной частоты при достаточной экспозиции оказывает существенное угнетающее воздействие на патогенные микроорганизмы.
Анализ результатов экспериментов показывает, что применение нетепловой СВЧ может дать значимый результат при профилактических мероприятиях и, возможно, помочь процессу лечения туберкулеза.
Авторы благодарят заведующую лабораторией ГБУЗ ПК «Клинический фтизиопульмонологический медицинский
центр», к.м.н. В. А. Дробкову, за помощь в работе.
Литература / References
1. Антипов С.С. Влияние ЭМИ СВЧ на регуляторные системы Escherichia coli. Автореф. Дисс. Пущино, 2007. 109 с. / Antipov SS. Vliyanie EMI SVCh na regulyatornye sistemy Escherichia coli [Influence of microwave EMR on Escherichia coli regulatory systems] [dissertation]. Pushchino (Moscow region); 2007. Russian.
2. Бородулин Б.E., Бородулина Е.А. Фтизиатрия. М.: Academia, 2004. 240 с. / Borodulin BE, Borodulina ЕА. Ftiziatriya [Phthisiology]. Moscow: Academia; 2004. Russian.
3. Гераськин C.A., Казьмин Г.В. Оценка последствий воздействия физических факторов на природные и аграрные экологические системы // Экология. 1995. № 6. С. 419-423 / Geras'kin SA, Kaz'min GV. Otsenka posledstviy vozdeystviya fizicheskikh faktorov na prirodnye i agrarnye ekologicheskie sistemy [Assessment of the effects of physical factors on natural and agricultural ecological systems]. Ekologiya. 1995;6:419-23. Russian.
4. Ихлов Б.Л., Мельниченко A.B., Ощепков А. Ю. Резонансное поглощение сверхвысокочастотного электромагнитного поля молекулами ДНК // Современные проблемы науки и образования. 2016. №6. URL: http://www.science-education.ru/article/view?id=25910 (дата
обращения: 20.10.2017) / Ikhlov BL, Mel'nichenko AV, Oshchepkov AYu. Rezonansnoe pogloshchenie
sverkhvysokochastotnogo elektromagnitnogo polya molekulami DNK [Resonant absorption of ultrahigh frequency electromagnetic field by DNA molecules]. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2016[cited 2017 Oct 05] ;6. Russian. Available from: http://www.science-education.ru/article/view?id=25910.
5. Ихлов Б.Л., Ощепков А.Ю., Мельниченко A.B., Вольхин И.Л., Новикова В.В., Чиркова JI.A. О влиянии электромагнитного поля высокой частоты на Е. coli. // Современные проблемы науки и образования. 2016. №5. URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=25259 (дата обращения 05.10.2017) / Ikhlov BL, Oshchepkov AYu, Mel'nichenko AV, Vol'khin IL, Novikova W, Chirkova LA. О vliyanii elektromagnitnogo polya vysokoy chastoty na E. coli. [On the influence of a high frequency electromagnetic field on E. coli.]. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2016 [cited 2017 Oct 05] ;5. Russian. Available from: http://science-education.ru/ru/article/view?id=25259.
6. Козьмин Г.В., Егорова В.И. Устойчивость биоценозов в условиях изменяющихся электромагнитных свойств биосферы // Биомед. технологии и радиоэлектроника. 2006. №3. С. 61-72 / Koz'min GV, Egorova VI. Ustoychivost' biotsenozov v usloviyakh izmenyayushchikhsya elektromagnitnykh svoystv biosfery [Stability of biocenoses in conditions of changing electromagnetic properties of the biosphere]. Biomed. tekhnologii i radioelektronika. 2006;3:61-72. Russian.
7. Оттен Т.Ф., Васильев A.B. Микобактериоз // Инфекция и иммунитет. 2013. Т. 3, № 1. С. 7-14 / Otten TF, Vasil'ev AV. Mikobakterioz [Mycobacteriosis]. Infektsiya i immunitet. 2013;3(1):7-14. Russian.
8. Ощепков А.Ю. Компьютерная модель для исследования динамики популяций микроорганизмов при наличии внешних управляющих воздействий // Вест. Перм. ун-та, сер. Информационные системы и технологии. 2018. №1. С. 40-46 / Oshchepkov AYu. Komp'yuternaya model' dlya issledovaniya dinamiki populyatsiy mikroorganizmov pri nalichii vneshnikh upravlyayushchikh vozdeystviy [Computer model for research the dynamics of populations of microorganisms in the presence of external control influences]. Vest. Perm, unta, ser. Informatsionnye sistemy i tekhnologii. 2018;1:40-6. Russian.
9. Пентин Ю.А., Вилков Л.В. Физические методы исследования в химии. М.: Мир, 2003. 688 с. / Pentin YuA, Vilkov LV. Fizicheskie metody issledovaniya v khimii [Physical research methods in chemistry]. Moscow: Mir; 2003. Russian.
10. Ruggiero M.T., Sibik J., Orlando R., Zeitler J.A., Korter T.M. Measuring the Elasticity of Poly-l-Proline Helices with Terahertz Spectroscopy // Angew. Chem. Int. Ed. 2016. №55. P. 6877-6881 / Ruggiero MT, Sibik J, Orlando R, Zeitler JA, Korter TM. Measuring the Elasticity of Poly-1-Proline Helices with Terahertz Spectroscopy. Angew. Chem. Int. Ed. 2016;55:6877-881.
Библиографическая ссылка:
Ихлов Б.Л., Ощепков А.Ю., Вольхин И.Л. О возможности применения нетепловой резонансной СВЧ в медицине //Вестник новых медицинских технологий. 2020. №3. С. 99-102. DOI: 10.24411/1609-2163-2020-16692.
Bibliographic reference:
Ikhlov BL, Oshchepkov AYu, Volkhin IL. О vozmozhnosti primeneniya neteplovoy rezonansnoy SVCh v meditsine [About the possibility of application of a non-thermal resonant microwave in medicine]. Journal of New Medical Technologies. 2020;3:99-102. DOI: 10.24411/1609-2163-2020-16692. Russian.
