CC BY
63
УДК 616-71
М. В. Кусакина, А. А. Сорокин, С. М. Геращенко, С. И. Геращенко
ПРИМЕНЕНИЕ ЦИТОАНАЛИЗАТОРА В МЕДИКО-ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ПРАКТИКЕ
Аннотация. В статье предложены устройство и метод для диагностики патологических состояний организма человека. С помощью цитоанализатора проведены экспериментальные исследования, направленные на идентификацию клеток биологических жидкостей (в частности эритроцитов) в электрическом поле. В результате проведенных исследований выявлено, что электрические свойства крови зависят не только от ее способности проводить ток, но и от целостности клеточной мембраны эритроцитов; скорость перемещения эритроцитов под действием постоянного электрического тока при повреждении мембраны уменьшается из-за изменения потенциала клетки.
Ключевые слова: цитоанализатор, исследование крови, перемещение эритроцитов, диагностика заболеваний.
Актуальность
Наиболее актуальной задачей современной медицины является диагностика на ранних стадиях заболевания и выбор оптимальной тактики лечения. Чтобы решить эту задачу, требуется оценка состояния биологических тканей и жидкостей человека.
Методы изучения электрохимических и электрических свойств физиологических жидкостей человека, в частности крови, стали широко применяться в последние годы. Такие методы основаны на том, что происходящие в организме человека патологические процессы приводят к изменению свойств клеток биологических жидкостей. Особое значение приобретает экспресс-диагностика.
Биологические жидкости сложно устроены: трудно рассмотреть их структуру, определить молекулярный состав и установить, как функционируют их отдельные элементы. Для изучения биологических жидкостей разработано множество экспериментальных методов, таких как светлопольная и темнопольная микроскопии, люминесцентная и электронная микроскопии, кондуктометрия и др. Эти методы позволяют решить многие проблемы, связанные с диагностикой состояния биологических объектов, но сложность аппаратуры для их реализации, длительное время исследований, высокая стоимость оборудования и другие недостатки, характерные для данных методов, создают затруднения для их практического применения.
В последнее время в качестве решения поставленной задачи стали применять электрохимические методы анализа, которые основаны на измерении электрических параметров биологических объектов при пропускании через них электрического тока. Основные достоинства данных методов заключаются в простоте реализации, низкой стоимости аппаратуры, оперативности использования и безопасности для здоровья человека.
Весьма перспективными методами для исследования биологических жидкостей являются клеточный электрофорез и диэлектрофорез. Суть этих методов состоит в фиксации и точных измерениях реакций живых клеток при воздействии на них электрических полей. При электрофорезе кулоновское воздействие однородного постоянного поля вызывает перемещение либо деформацию жизнеспособных клеток, при диэлектрофорезе поляризация клеток под действием неоднородного средне- и высокочастотного поля приводит к их перемещениям, агрегации, деформации и распаду. Указанные трансформации
100
Медицина и здравоохранение
клеток анализируются компьютерными программами в ходе автоматической обработки видеозаписи, затем измеренные по ходу обработки величины перемещений, деформации и других характеристик после подстановки в известные уравнения электрофореза или диэлектрофореза позволяют рассчитать электрические, вязкоупругие и диэлектрические клеточные показатели [1, с. 34-36].
Принцип работы устройства и метода
Один из новых и наиболее перспективных методов - джоульметрический, который входит в раздел электрокинематики. Он основан на изучении свойств объектов путем наблюдения за их откликом на постоянное внешнее электрическое воздействие. Для этого в исследуемый объект вводятся электроды, в результате образуется система «электрод -биообъект - электрод», которая становится неким датчиком, способным характеризовать свойства среды, заключаемой в образуемом межэлектродном пространстве. В качестве регистрируемых параметров наиболее часто при этом выступают значения пропускаемого через электроды тока и вызванного им падения напряжения на электродах во время электрического воздействия, т.е. снятия вольтамперных характеристик. Суть данного метода заключается в регистрации происходящих в организме человека патологических процессов, отражающихся на изменении электрохимических свойств клеток исследуемых биологических жидкостей [2, с. 11].
Устройство включает в себя генератор сигналов, куда вводятся определенные параметры (частота, амплитуда и др.), электрохимическую ячейку с активными электродами (посредством которых осуществляется воздействие на исследуемые биологические жидкости), микроскоп, видеокамеру для микроскопа, персональный компьютер.
Принцип действия электрохимической ячейки основан на прохождении постоянного тока через электролиты. Электрическое поле создается электролитом. При отсутствии внешнего электрического поля движение ионов носит хаотический характер. В процессе воздействия поля помимо хаотического движения возникает упорядоченное перемещение ионов в направлении поля.
В основу метода положено соответствие между работой, совершаемой внешним источником электрической энергии в исследуемом объекте, и изменением состояния исследуемого объекта. Если в качестве внешнего воздействия использовать постоянный ток I (t), а в качестве параметра, характеризующего состояние объекта, изменение межэлектродного напряжения U (t) во времени, то значения работы A(t) на временном интервале t1 -12 можно определить на основании следующей зависимости:
A(t) = JI (t )U (t )dt,
(1)
где A(t) - работа, произведенная клеткой; I(t) - ток, действующий на клетки биологических жидкостей; U(t) - изменение межэлектродного напряжения.
Значение произведенной работы A(t) находится на основании обработки зависимостей тока I (t) и напряжения U (t) во времени [3, с. 7].
Результаты исследований
Проведение экспериментальных исследований, направленных на идентификацию клеток биологических жидкостей в электрическом поле, осуществляется с помощью диагностического исследовательского комплекса, представленного на рис. 1.
101
Вестник Пензенского государственного университета № 2 (10), 2015
Рис. 1. Общий вид исследовательского комплекса
В процессе исследования было выявлено, что электрические свойства крови зависят не только от ее способности проводить ток, но и от целостности клеточной мембраны эритроцитов. При эндотоксикозе в крови человека появляются токсины, которые способствуют повреждению клеточной мембраны, что, в свою очередь, приводит к интенсивному выходу ионов из клетки в межклеточное пространство. В результате этого потенциал клетки изменяется и под действием постоянного тока скорость перемещения эритроцита уменьшается. Результаты исследований представлены на рис. 2-4.
Рис. 3. Перемещение эритроцитов больного с эндотоксикозом
102
Медицина и здравоохранение
35
I J I
I I I I I I I I
1 2 3 4 5 6
Количество эритроцитов в поле зрения
Перемещение эритроцитов ЗДОРОВОГО человека
Перемещение эритроцитов больного С ЭНДОТОКСИКОЗОМ
Рис. 4. Гистограмма перемещений эритроцитов здорового человека и больного с эндотоксикозом
Выводы
В исследованиях установлено, что различные патологические процессы приводят к определенным изменениям ряда биофизических показателей в живых клетках (в частности, в эритроцитах). Эти изменения отражаются в конкретных деталях поведения клеток (изменение траектории и скорости перемещения эритроцитов) в электрических полях, визуализируя таким образом различные патологии на видеозаписях.
Список литературы
1. Рувинский, О. Е. Электрохимические методы исследования / О. Е. Рувинский, Е. И. Баранова, Н. М. Привалова. - М., 2010. - 154 с.
2. Геращенко, С. И. Джоульметрия и джоульметрические системы: теория и приложение : моногр. / С. И. Геращенко. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2000.
3. А. с. RU2134537 Cl. Диагностический датчик. Описание изобретения к патенту Российской Федерации / С. И. Геращенко, В. И. Волчихин, В. И. Никольский, С. С. Деревянкин, А. М. Лушу-тин. - 1999, Бюл. № 23.
Кусакина Мария Валерьевна
студентка,
Пензенский государственный университет E-mail: Marivalcus@mail.ru
Сорокин Александр Александрович
студент,
Пензенский государственный университет E-mail: sorokin10lk2@mail.ru
Геращенко Сергей Михайлович
доктор технических наук, профессор, кафедра медицинской кибернетики и информатики,
Пензенский государственный университет Е-mail: sgerash@mail.ru
Kusakina Mariya Valer'evna
student,
Penza State University
Sorokin Aleksandr Aleksandrovich
student,
Penza State University
Gerashchenko Sergey Mikhaylovich
doctor of technical sciences, professor, sub-department of medical cybernetics and informatics,
Penza State University
103
Вестник Пензенского государственного университета № 2 (10), 2015
Геращенко Сергей Иванович
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой медицинской кибернетики и информатики,
Пензенский государственный университет Е-mail: mpo@list.ru
Gerashchenko Sergey Ivanovich
doctor of technical sciences, professor, head of sub-department of medical cybernetics and informatics,
Penza State University
УДК 616-71 Кусакина, М. В.
Применение цитоанализатора в медико-диагностической практике / М. В. Кусакина, А. А. Сорокин, С. М. Геращенко, С. И. Геращенко // Вестник Пензенского государственного университета. - 2015. -№ 2 (10). - C. 100-104.
