Устройство для определения электрических и магнитных свойств эритроцитов. Механические и электродинамические свойства эритроцитов в потоках движущейся по сосудам крови Эритроциты отдают тканям кислород, а из тканей в кровь поступает углекислота

Г Г б од 1 В ЯН8 1998

На правах рукописи

ИГНАТЬЕВ Виталий Васильевич

МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭРИТРОЦИТОВ В ПОТОКАХ ДВИЖУЩЕЙСЯ ПО СОСУДАМ КРОВИ

Специальность 03.00.02 - биофизика

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Военно-медицинской академии

Научный руководитель: Член-корреспондент РАМН, доктор медицинских наук, профессор В.О.Самойлов,

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, доцент П.П.Рымкевич.

доктор физико-математических наук, профессор Холмогоров В.Е.

Ведущая организация: Институт аналитического приборостроения РАН.

Защита диссертации состоится "_" января 1998 г. в

Час. на заседании диссертационного совета Д 063.38.23.

при Санкт-Петербургском Государственном Техническом университете по адресу: 195251 С-Пб. ул. Политехническая дом 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного Технического университета и в библиотеке ВМедА.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук Сунгуров А.Ю.

физ.мат. наук

0.Л. Власова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность темы обусловлена тем, что она посвящена одной из важнейших проблем современной биофизики - свойствам и особенностям поведения клеток крови при их движении по кровеносным сосудам.

В середине нашего столетия эту проблему сформулировал и разработал выдающийся отечественный биофизик А.Л. Чижевский. Согласно его выкладкам безъядерные эритроциты при их движении по магистральным сосудам организуются в радиально-кольцевые системы, причем не только движутся поступательно, но и вращаются относительно устойчивой оси вращения. Вместе с тем, как полагал А.Л.Чижевский потоки движущейся крови являются конвекционными электрическими токами.

Однако теоретические построения А.Л.Чижевского пока недостаточно уточнены в экспериментах.

Цель и задачи работы. Цель работы состояла в изучении и аналитическом описании механики и электродинамики движущихся в потоках кроЕИ безъядерных эритроцитов, а также в экспериментальной проверке основных следствий, полученных в рамках разработанной математической модели.

Научная новизна. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден эффект ротационного массопереноса компонентов плаэмы крови и их микрофильтрация в движущихся по магистральным сосудам безъядерных эритроцитах.

Экспериментально показано, что потоки движущейся по сосудам организма крови являются конвекционными электрическими токами, создающими в окружающем их пространстве электромагнитные поля.

Разработаны методы расчета и измерения частот колебаний эритроцитов в собственном поле сил их взаимного электростатического отталкивания.

Практическая значимость работы. В процессе выполнения работы были оформлены две заявки на изобретения: - способ очистки жидкостей и газов от взвесей; - ротационный фильтрующий элемент. На обе заявки получены положительные решения о выдаче патентов N 93016177/26 (019560) от 24.11.1994 г. и N 93016176/26 (019559) от 15.01.1996 г. из ВНИИГПЭ. Они используются при создании систем очистки воды в рамках Санкт-Петербургской программы "Чистый город". Результаты диссертационного исследования используются в

учебном процессе при преподавании биофизики в Санкт-Петербургских государственных медицинском и электротехническом университетах.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации выполнен отчет НИР N 26-94-В7, опубликованы три статьи. Результаты исследований были доложены на всероссийской, ряде международных конференций и семинарах в 1993 - 1997 годах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка использованных источников, приложения и содержит 127 страниц машинописного текста, 34 рисунка, 4 таблицы. Библиография к ней составляет 112 литературных источников.

Положения, выносимые на защиту. 1. Во вращающемся эритроците ir» vivo существует вынужденная диффузия компонентов плазмы крови через него, благодаря которой им присущ эффект микрофильтрации коллоидных частиц. 2. Движущиеся in vivo эритроциты имеют нескомпенсированный отрицательный электрический заряд, то есть потоки движущейся in vivo крови являются переменными конвекционными электрическими токами, генерирующими электромагнитные поля.

1. Физические свойства и модели подвижных клеточных (зригроци-

тарных) систем (обзор литературы).

В 1959 году был опубликовзн фундаментальный труд А.Л.Чижевского: "Структурный анализ движущейся крови." В нем автор на математических моделях и экспериментально показал,что потоки крови in vivo не являются движущимися совокупностями хаотически объединенных её компонентов, а организованы по определённым правилам. Наиболее важными результатами, полученными им в рамках исследований крови являются: 1. Математическое доказательство симметричного расположения эритроцитов в кровотоке и организация их в радиально-кольцевые системы в магистральных сосудах.

2. Учет влияния на движение крови сил электростатического отталкивания, возникаищих между движущимися её клетками.

Во второй монографии, посвященной электрическим и магнитным свойствам эритроцитов, ему уделось вплотную подойти к пониманию того, что потоки движущейся в организме крови являются конвекционными электрическими токзми, а вращающиеся в них эритроциты должны иметь собственные магнитные моменты. Однако, высказанные

в ней гипотезы не имеют достаточного математического и экспериментального доказательства.

Сейчас известны лишь единичные публикации, посвященные в основном экспериментальной проверке гипотезы А.Л.Чижевского о структурной организации движущейся крови. Из электромеханических свойств суспензий клеток описан только эффект электростатического отталкивания (распора) между ними. Однако, приводимая величина этого параметра сильно отличается у разных авторов. Кроме того, описан эффект возникновения разности потенциалов между сосудистой стенкой и потоком движущейся относительно нее среды.

2. Математические модели электромеханических свойств эритроцитов в потоках движущейся крови, а) Микрофиль трация. Микроскопические наблюдения эритроцитов в норме показывают, что клетки по внешнему виду напоминают дис-котороиды, эллипсоиды и т.п. Другими словами, эритроцит можно в первом приближении представить в виде фигуры вращения.

Предположим, что в поле сил инерции происходит перенос частиц плазмы крови от приосевой области эритроцита в сторону его периферии и сопряженный процесс их микрофильтрации.

Приведем без доказательства выражение определяющее полный поток частиц класса "К" через поверхность вращающегося эритроцита:

Хк5кшг4к К М 0К й

--■ 2> 3

P n i£(d3+Ah)z+z+hz

i-l i-l(a2(d3+Ah)2+2+h2>z--C2hCg:-3(d3+ah)]2>2)3

N - номер соседнего сечения потока крови.

Эритроциты, магнитные моменты которых не совпадают с направлением силовых линий внешнего поля, вынуждены ориентироваться по нему. Угол поворота эритроцита по отношению к вектору скорости потока крови определяет, очевидно, величину его "лобового" сопротивления потоку.

Из описанных математических моделей следует.

1. Поле центробежных сил создает условия для ускорения процесса переноса компонентов плазмы крови через эритроцит в плоскости его вращения, что ведет к микрофильтрации частиц, как в углублениях эритроцита, расположенных у оси его вращения, так и на внутренней стороне его плаамодемш, максимально удаленной от оси вращения. Структура потоков вещества, проходящего через вращающийся эритроцит изображена на Рис.1.

2. Движущаяся по сосудам кровь представляет собой поток отрицательно заряженных частиц. Этот электрический ток в окружающем сосудистое русло пространстве, создает переменные электрические и магнитные поля.

3. Собственное электростатическое поле, появляющееся у эритроцитов при движении их по кровеносным сосудам, создает условия появления у эритроцитов электромеханических колебаний.

4. Потоки движущейся по сосудам живого организма крови рез-

выход Г J rjj^^g/ - выход

1 - расстояние от оси цилиндра с током до коаксиальной цилиндрической поверхности, на которой находится точка наблюдения. 1 > а - радиуса цилиндра.

гирузот на внешнее электромагнитное поле в соответствии с законами электро- и гидродинамики.

3. Методы и методики проведенных экспериментов.

Для регистрации неспецифических сорбционных свойств движущихся в крови эритроцитов, реакции потоков крови в мелких сосудах человека и животных на воздействие низкочастотных электромагнитных полей, регистрации параметров движения оседающих эритроцитов при действии на них импульсного магнитного поля, определении электрофорегической подвижности эритроцитов в зависимости от времени их инкубации в изоосмотической среде, то есть почти во всех проводившихся экспериментах был применен метод телевизионной микроскопии. Для обнаружения электромагнитных колебаний эритроцитов в рассчитанном диапазоне частот была использована рамочная антенна, геометрические размеры которой много меньше ожидаемой длины волны излучения. При проведении опытов на механических моделях эритроцитов, визуально наблюдали осаждение в них частиц кожевенной пыли из водной взвеси. Методом оптического светорассеивания измеряли коэффициент поглощения водной взвеси пыли до и после взаимодействия ее с моделью эритроцита.

4. Результаты проведенных экспериментов, и их обсуждение.

Проверка первого следствия - микрофильтрации частиц взвеси, движущимися по кровеносным сосудам эритроцитами проводилась на кроликах породы "шиншилла",и на механических моделях эритроцитов.

В первой серии опытов измеряли величину реакции эритроцитов кролика in vitro на действие неоднородного постоянного магнитного поля до и после введения животному коллоидного "загрязнителя" крови - "магнитной жидкости".

> Реакция эритроцитов в исходном состоянии (до введения "магнитной жидкости") на воздействие постоянного магнитного поля максимальной величины отсутствовала. Через два и три часа после

введения животному этой жидкости наблюдалось выраженное смещение эритроцитов в вертикальной плоскости.

0 12 3 1 час. Доказательством того,что частицы "магнитной жидкости" адсорбировались внутри эритроцитов, а не на их поверхности, служило постоянство величин их вертикального смещения в магнитном поле как сразу после разведения крови, так и спустя 45 минут после него.

При проведении опытов на механических моделях эритроцитов, измеряли коэффициент поглощения раствора. Изменение коэффициента поглощения загрязненной жидкости после обработки ее моделью эритроцита с угловой скоростью 2,4 с-1 приведены в Табл. 1. Усредненные значения собственных частот колебании эритроцитов у испытуемых приведены в Табл.2. Анализ осциллограмм в процессе проведения опытов показал, что они соответствуют изображениям модулированных сигнзлов. Эритроциты в крови колеблются синхронно.

В опытах по определен™ действия электромагнитных полей низкочастотного диапазона на микрососуды и капилляры пзродонтз людей и лабораторных животных. Был применён гальванический метод формирования электрического поля в биообъекте. Одним из электродов цепи служили токопроводящие части самого объектива. Другой электрод располагали на плече или бедре испытуемого.

В отсутствие поля измеряли среднюю густоту капилляров, средний диаметр капилляров и их петель.

При подаче импульсного низкочастотного магнитного поля (В -0,5 мТл и более) с частотой 0,5-2 Гц наблюдалось заметное движение петель капилляров, синхронное и пропорциональное изменению величины магнитной индукции воздействующего поля. Капилляры отклонялись полем тем сильнее, чем больше был их диаметр. Аналогич-

Рис.2. Величина подъема нагруженных "магнитной жидкостью" эритроцитов в неоднородном маг магнитном поле Е=97,5 мТл. 1 -высота подъема эритроцитов; t - время экспозиции.

Таблица 1.

Коэффициенты поглощения годной взЕеси кожевенной пыли после очистки ее механической моделью эритроцита в течении 15 минут.(исходный КПогл.= 0,54)

количество измерений коэффициент поглощения

бязевые мембраны нетканые мембраны

9 8 8 среднее 0,22 + 0,01 0,25 ± 0,01 0,23 ± 0,01 0,2(3)± 0,01 0,19 ± 0,01 0,17 ± 0,02 0,18 ± 0,01 0,18 ± 0,01(3)

Таблица 2.

Средние значения измеренных собственных частот колебаний эритроцитов в кровотоке испытуемых.

номер степени свободы 1 2 3 4 5

Первая серия (мужчина) Вторая серия (мужчина) Третья серия (мужчина) Четвертая серия (женщина) 74,1+0,3 кГц 55,5+0,2 кГц 58,8+0,3 кГц 134,7+0,4 кГц 79,7+0,5 кГц 66,6+0,3 кГц 60,9+0,4 кГц 146,8+0,3 кГц 125+0,7 кГц 166,6+0,2 кГц 142,2+0,2 кГц 250,2+0,5 кГц 1,8+0,4 МГц 4,2+0,4 МГц 2,2±0,1 МГц 2,9+0,1 МГц 5,2+0,8 МГц 5,1+0,5 МГц 4,7+0,3 МГц 3,6+0,1 МГц

1,2,3 - степени свободы поступательного движения;

4,5 - степени свободы колебательного движения, но, капилляры равного диаметра, но образующие большие по диаметру петли, отклонялись полем сильнее, (см. Табл.3.).

Действие постоянного магнитного поля на микрососуды паро-донта (и 10 - 20 мкм.) состояло в формировании в них ассоциатов ■эритроцитов. При отключении магнитного поля ассоциаты движущейся крови в этих сосудах исчезали.

Кроме действия магнитного поля на микрососуды пародонта, изучали реакцию потоков крови в них на постоянное электрическое поле. При этом было отмечено изменение скоростей движения эритроцитов в капиллярах в зависимости от его величины и полярности.

Подключение контактного объектива к (-) источника поля с увеличением его силы вело к тому, что кровоток в капиллярах замедлялся, а при плотности тока о = 22,3 - 31,3 мкА/см2 происходила инверсия направления движения эритроцитов в них.

Замена полярности напряжения на противоположную с уиеличе-

Средние величины отклонения петель капилляров в пародонге человека магнитной составляющей импульсного низкочастотного ЭМП (частота 0,5- 2 Гц).

Диаметр Диаметр Величина Среднее от- число

капилляра, петли, магнитной клонение пет- наблю-

индукции, ли капилляра, дений

мкм. мкм. мТл. мкм. ед.

7,5 ± 0.5 60 ± 0,5 0,5 ± 0,1 6,6 ± 0,7 9

7,5 ± 0,5 60 ± 0,5 1 + 0,1 9 ± 0,4 11

7,5 ± 0,5 60 ± 0,5 1.75 ± 0,1 10,25 Í 0,6 15

8,0 ± 0,5 85 ± 0,5 0,5 ± 0,1 12,6 ± 0,3 9

8,0 ± 0,5 85 ± 0,5 1 ± 0,1 15,2 i 0,5 14

8,0 ± 0,5 85 ± 0,5 1,75 ± 0,1 17,1 ± 0,4 12

8,2 ± 0,5 83 ± 0,5 0,5 ± 0,1 15,6 ± 0,3 11

3,2 ± 0,5 83 ± 0,5 1 ± 0,1 17,2 ± 0,5 10

8,2 ± 0,5 83 ± 0,5 1,75 ± 0,1 21,1 .± 0,3 14

нием разности потенциалов вела к полной остановке кровотока в наблюдаемых капиллярах, а при j = 80 - 100 мкА/см2 в пародонте кроликов хорошо были видны отдельные, вышедшие за пределы капиллярной стенки, эритроциты.

Опыты с оседающими эритроцитами были выполнены для доказательства того, что на внешнее поле реагируют потоки движущейся в живом организме крови, а не только сами сосуды.

Прежде чем приступать к измерениям, проводилась специальная обработка стеклянных капилляров, которая позволяла имитировать в них сосудистый эндотелий.

В эксперименте удалось обнаружить изменения траектории оседающих эритроцитов под действием импульсного магнитного поля (В = 208 мТл). Характерная траектория одного из оседающих в поле сил тяжести эритроцитов до, в момент и после воздействия представлена на Рис.4.

Однообразие отклонения эритроцитов указывает на то, что все они имеют нескомпенсироЕанный отрицательный электрический заряд.

В Табл.4 приведены средние скорости оседания эритроцитов в стеклянном капилляре до приложения поля (I), при действии импульсного магнитного поля (II) и после его снятия (III) (В = 208 мТл).

Синусоидальное низкочастотное магнитное поле так же, как и импульсное, уменьшает скорость оседания эритроцитов. Так, без

его воздействия средняя скорость их оседания была равна 27,6

мкм/с, на частоте 160 Гц (Б=57 мТл) она уменьшалась в 1,47 раза,

а на частоте 500 Гц (В=57 мТл) - в 1,87 раза.

первоначальная скорость оседания 32,2 Смкм/с]

Рис.4.Характерная тра-"5" ектория движения оседающего в поле сил тяжести эритроцита (без воздействия и под воздействием импульсного магнитного поля).

скорость оседания после первого импульса 24,3 [мкм/с]

После второго импульса 16,6 [мкм/с]

Установлено, что подеижность эритроцитов в свежеприготовленных препаратах (2-3 минуты после взятия крови у человека) на порядок больше той, которая приводится в литературе (1,1 -и достигает величин 15 - 18-Ю-8-м2-

г-Ю^-м^с^-В-1)

Таблица 4.

Средние скорости движения оседающих эритроцитов при свободном падении и под действием импульсного магнитного поля

Интервал наблюдения Скорость движения эритроцитов Расстояние от стенки капилляра

танг.сост. норм.сост. результ.

I II III 0,0 ± 0,5 17,3 ± 0,6 0,0 ± 0,3 34,0 ± 0,4 18,6 ± 0,3 26,2 ± 0,6 34.0 ± 0,3 28.1 ± 0,3 26.2 ± 0,4 126 ± 10 мкм

Обнаруженные экспериментальные факты невозможно объяснить в рамках диссоционного механизма возникновения у эритроцитов потенциала течения (г; - разности потенциалов), то есть у них должен существовать, по крайней мере, ещё один - динамический механизм его появления.

Проведенные исследования вскрывают ряд механизмов поведения эритроцитов в потоках движущейся крови. Они, прежде всего, указывают па неотделимость друг от друга электрических и механических процессов, имеющих место в движущейся;n vivo крови. Пренебрежение одним из них ведет к серьезным теоретическим заблуждени-

ям, вызывающим трудности в решении ряда задач современной биологии и медицины.

18 16 14 12 10 8 5 4

насущных практических

Рис.5. Подвижность эритроцитов в электрическом поле в зависимости от Бремени инкубации их в изо-осмотической среде, обозначения: ц

T - }