1
На правах рукописи
РЫБАКОВ Юрий Леонидович
ОБЩЕЕ ВОЗДЕЙСТИЕ НА ОРГАНИЗМ
СЛАБОГО НИЗКОЧАСТОТНОГО ВИХРЕВОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
ПРИ РАЗВИТИИ ОПУХОЛЕВОГО ПРОЦЕССА
03.01.01 - радиобиология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
Москва, 2013 г.
2
Работа выполнена в Некоммерческом Учреждении Институте медицинской физики и инженерии при Российском онкологическом научном центре им. Н.Н. Блохина РАМН
Научный консультант: доктор медицинских наук, профессор Добрынин Ярослав Васильевич
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук, профессор, академик РАЕН, заведующий лабораторией инженерной биофизики Института биохимической физики им. Н.М.Эммануэля РАН Кузнецов Анатолий Александрович доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН Белова Наталья Александровна доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Российского онкологического научного центра им. Н. Н.Блохина РАМН Наркевич Борис Ярославович
Ведущая организация: Российский научный центр рентгенорадиологии, г. Москва
Защита состоится «17» октября 2013 г. в 15.00 часов на заседании Диссертационного совета Д.501.00.65 при Московском Государственном Университете имени М.В.Ломоносова по адресу:119991, Москва Ленинские горы, дом 1, МГУ, корп. 12, Биологический факультет, ауд.
С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке МГУ имени М.В.Ломоносова: Ломоносовский проспект, дом 27.
Отзывы просим присылать по адресу: Веселовой Т.В., 119991. Москва, Ленинские горы, МГУ имени М.В.Ломоносова, биологический факультет. Факс (495) 939-11- (обязательно 2 экземпляра в бумажном варианте с печатью и подписью).
Автореферат разослан «_» _ 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор биологических наук Веселова Т.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Биологическая активность слабых низкочастотных электромагнитных полей (ЭМП) не вызывает сомнений. Данные многих исследований (Floderus et al, 1993; Miller et al, 1996; London et al, 1994; Kneifets et al, 1999; Григорьев, 2004; Евдокимов и др., 2006) показывают, что нарушение электромагнитной экологии может приводить к возникновению патологических состояний, в том числе к онкологическим заболеваниям. В тоже время ЭМП, обладая рядом полезных качеств, широко используются в медицине для лечения хронических заболеваний, нервно-психической сферы, восстановления поврежденных тканей и др.
(Пономаренко, 1995; Жуков, 1986; Коротких, 1996; Вихляров и др., 1999). Учитывая возможности как позитивного, так и негативного влияния ЭМП на здоровье человека, вопросы практического использования магнитных полей определенных параметров в медицине должны основываться на результатах изучения их магнитобиологических эффектов и механизмов.
К настоящему времени высказано много гипотез в отношении интерпретации механизмов магнитобиологических эффектов, но ни одна из них не является строго доказанной и общепринятой (Бинги, 2006), и основным источником информации о реакциях биологических объектов на действие ЭМП пока являются экспериментальные исследования. Однако, несмотря на отсутствие однозначных представлений о возможных механизмах действия слабых низкочастотных ЭМП на живой организм и, в частности, на опухолевый процесс, интерес к этим полям со стороны экспериментальной и клинической онкологии неуклонно возрастает. В ряде экспериментальных исследований обнаружены эффекты противоопухолевого действия, которые открывают перспективы для применения этого физического фактора в онкологической клинике (Уколова, 1971, Квакина, 1972, Новиков, 1996, Музалевская, 1997).
Особый интерес представляет изучение эффектов и механизмов биологического действия на весь организм человека слабого низкочастотного вихревого магнитного поля (ВМП), отличающегося наиболее высоким уровнем биотропности (Бахмутский, 1991; Добрынин, 1995). Особенностью этого воздействия является сочетание комплекса статических (частота, однородность) и динамических (индукция, градиент, модуляция) параметров ВМП с общим характером воздействия на весь организм, что способно вызвать значительный биологический отклик на всех уровнях организации от молекулярно - клеточных процессов до реакций всего организма в целом (Беркутов, 2000). Очевидно, что успех любого терапевтического метода, связанного с применением факторов физического воздействия, определяется знанием первичных механизмов их биологического действия. В этом плане роль и возможности применения ВМП-воздействия в практике лечения онкологических заболеваний остаются неопределенными.
Наряду с поиском новых средств противоопухолевой терапии, актуальной задачей является разработка подходов к оптимизации и повышению эффективности лечения онкологических больных путем включения в традиционные схемы лечения методов активационной терапии, которые позволили бы снизить послеоперационные осложнения, побочные действия противоопухолевых препаратов и ионизирующего излучения (Грушина, 2001). Одной из приоритетных задач реабилитационной медицины является восстановление и поддержание внутреннего гомеостаза, нарушенного различными патологическими влияниями. Гомеостатические процессы в организме чувствительны к различным факторам воздействия окружающей среды, в том числе физической природы. Среди них важное место занимают магнитные поля, поскольку человек сегодня находится в «магнитной паутине» увеличивающегося количества источников ЭМП. В числе гомеостатических механизмов, поддерживающих постоянство внутренней среды организма и адаптации его к различного рода воздействиям, видное место принадлежит иммунитету и связанным с ним факторам неспецифической защиты, одной из главных функций которой является обеспечение противоопухолевой резистентности. В этом плане изучение влияния слабого ВМП на состояние противоопухолевой резистентности организма может иметь принципиальное значение для понимания механизмов их действия в условиях опухолевого роста, использования этого физического фактора для коррекции нарушенного патологией гомеостаза и реабилитации организма человека.
В настоящее время развивается общесистемная ВМП-магнитотерапия на базе магнитотерапевтических установок типа «Магнитотурботрон» (Лабецкий и др., 1995;
Летягин и др., 1996; Лубенников и др., 1995; Родин и др., 1996; Бахмутский и др., 1999). Для эффективного применения ВМП-магнитотерапии в восстановительном и реабилитационном лечении онкологических больных необходимо изучить особенности общего воздействия слабого низкочастотного ВМП на организм человека.
В связи с выше сказанным, углубленные исследования биологических основ общего действия слабого низкочастотного ВМП, а также разработка принципов и методов технологии общесистемной ВМП-магнитотерапии представляется актуальной и своевременной задачей, способствующей применению этого физического фактора в медицинской практике.
Цель и задачи исследования Целью работы было выяснение биологических механизмов воздействия слабого низкочастотного ВМП для разработки и внедрения в практику новой медицинской технологии – общесистемной ВМП-магнитотерапии.
В задачи работы входило:
1. Исследовать эффекты и механизмы противоопухолевого действия слабого низкочастотного ВМП на экспериментальных объектах: культивируемых опухолевых клетках и животных с перевиваемыми опухолями, дифференцировать уровни реализации противоопухолевого эффекта ВМП, оценить степень участия прямых клеточных механизмов и опосредованных через организм защитных реакций, а также установить возможные механизмы биологического действия ВМП.
2. Изучение взаимодействия ВМП с противоопухолевыми препаратами и лучевым воздействием с целью разработки рекомендаций для онкологической клиники.
3. Разработка методического и аппаратно-программного обеспечения для ВМП-магнитотерапии.
4. Выбор параметров и режимов для оптимального воздействия ВМП на организм человека, и предложение методов мониторинга состояния организма человека в процессе общесистемной ВМП-магнитотерапии.
5. Изучение особенностей влияния слабого низкочастотного ВПМ на показатели гомеостаза.
6. Исследование применения общесистемной ВМП-магнитотерапии в схемах радикального и восстановительного лечения онкологических больных.
Основные положения, выносимые на защиту - Положительное влияние слабого низкочастотного ВМП на резистентность и гомеостаз организма в условиях развития опухолевого процесса.
- Применение общесистемной ВМП-магнитотерапии в лечении онкологических больных.
Научная новизна работы Впервые проведено комплексное исследование действия слабого низкочастотного ВМП на опухолевые объекты in vitro и in vivo. Установлено, что воздействие ВМП может оказывать незначительное (до 30%) ингибирующее действие на синтез ДНК культивируемых опухолевых клеток, и существенно (до 70 – 80%) тормозить развитие опухолевого процесса для некоторых видов опухолей экспериментальных животных, не вызывая нарушения метаболизма здоровых клеток и отрицательных побочных эффектов для организма. Показано, что одной из мишеней ВМП являются клетки иммунной системы (фагоциты), которые под его действием увеличивают продукцию активных форм кислорода (АФК) и повышают уровень неспецифической резистентности организма к развитию опухолевого процесса. Показано, что воздействие ВМП может послужить причиной запуска программы апоптоза, приводящей к задержке и блокированию клеточного цикла опухолевых клеток. Экспериментально установлен радиомодифицирующий эффект ВМП, проявляющийся в снижении тяжести местных лучевых реакций нормальных тканей на 20 – 25% и уменьшении тяжести лучевого поражения организма на 15%.
Разработаны подходы к исследованию особенностей общего воздействия слабого низкочастотного ВМП на организм человека и выбору параметров для нормализующего влияния на гомеостатические и адаптивные механизмы организма.
Экспериментально установлена и теоретически обоснована возможность изменения гомеостаза организма человека в процессе магнитотерапевтических процедур в виде качественного перехода в новое состояние, отличающееся большей стабильностью и упорядоченностью.
Впервые на основе методов газоразрядной визуализации (ГРВ) и электропунктуры (метод Накатани) предложены и апробированы способы для оценки индивидуальной магниточувствительности человека и мониторинга динамики изменения функционального состояния организма при выполнении общесистемных магнитотерапевтических процедур слабым низкочастотным ВМП.
Практическое значение. Созданы научные основы для разработки новых биомедицинских технологий применения общесистемной ВМП-магнитотерапии в медицинской практике. Экспериментально и теоретически обоснованы принципиальные возможности применения воздействия слабого низкочастотного ВМП для коррекции нарушенного течением патологических процессов состояния организма человека. Разработаны методики наблюдения за динамикой изменения функционального состояния организма человека при общесистемной ВМПмагнитотерапии, позволяющие учитывать индивидуальную магниточувствительность и оптимизировать процесс лечения к формированию адекватной адаптивной реакции.
При клинической апробации в результате включения ВМП-магнитотерапии в схемы радикального и восстановительного лечения онкологических больных получены данные об улучшении непосредственных и отдаленных показателей качества лечения.
Результаты экспериментальных и клинических исследований послужили основой для разработки и внедрения методических рекомендаций по применению ВМПмагнитотерапии для лечения онкологических и неонкологических заболеваний. На базе серийно выпускаемой установки «Магнитотурботрон» (Продукция ММЦ «МАДИН», г. Нижний Новгород) разработан проект кабинета общесистемной ВМПмагнитотерапии для практической медицины и руководство к проведению процедур ВМП-магнитотерапии.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на Всероссийских и Международных конференциях и конгрессах:
Российская конференция “Генераторы электромагнитного поля для магнитотерапии” (Саров, 1995); I и VI Международный конгресс “Слабые и сверхслабые поля и измерения в биологии и медицине” (С. Петербург, 1997, 2012);
International congress of integrative medicine “Synthesis of medicine East-West and modern technologies – the way to XXI century” (Cyprus, 1997); 2th World Congress for Electricity and Magnetism in Biology and Medicine (Bologna, Italy, 1997); Российская научно-практическая конференция “Низкоэнергетическая магнитотерапия: опыт клинического применения и перспективы развития” (Москва, 1997); VIII Международный симпозиум “Эколого-физиологические проблемы адаптации” (Москва, 1998); 20th Annual the Bioelectromagnetics Society Meeting (Florida, USA, 1998); I Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии (Москва, 2001); I Международный симпозиум “Квантовая медицина и новые медицинские технологии” (Блед, Словения, 2001); 23th Annual the Bioelectromagnetics Society Meeting (St. Paul, Minnesota, USA, 2001); Российской научно-практическая конференция “Новые методы диагностики и лечения лиц, подвергшихся радиационному воздействию” (Москва, 2002); 24th Annuel the Bioelectromagnetics Society Meeting (Quebec, Canada, 2002).
Отдельные результаты работы докладывались на совещаниях и семинарах, организованных Ассоциацией медицинских физиков РФ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 48 научных работ, в том числе 18 статей в журналах, входящих перечень изданий, рекомендуемых ВАК для докторских диссертаций: Медицинская физика – 14, Прикладная физика – 2, Вопросы онкологии – 1, Российский онкологический журнал – 1.
Разработаны методические рекомендации по применению общесистемной магнитотерапии ВМП в схеме лечения местнораспростаненного рака молочной железы III стадии. Изданы руководство для медицинских специалистов по работе с магнитотерапевтической установкой «Магнитотурботрон» и учебное пособие по физическим основам применения магнитных полей в медицине для студентов по специальности «Медицинская физика».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, общих выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 250 страниц машинописного текста, содержит 25 таблиц и 35 рисунков.
Библиографический указатель содержит 423 ссылки на работы отечественных и иностранных авторов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе (обзор литературы), состоящей из 4 разделов, изложены современные представления о магнитобиологии слабых низкочастотных магнитных полей, результаты исследований влияния магнитных полей на канцерогенез, а также данные об экспериментальных исследованиях противоопухолевого действия магнитных полей и применения их в онкологической клинике.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводились на базе НИИ экспериментальной диагностики и терапии опухолей и НИИ клинической онкологии РОНЦ им. Н.Н. Блохина РАМН, а также Института медицинской физики и инженерии.Клеточные культуры. Оценку влияния действия ВМП на пролиферацию культивируемых опухолевых клеток проводили на клеточной линии СаОv с помощью метода радиометрического анализа по включению клетками предшественника ДНК меченого тритием 3Н-тимидина (Добрынин и др., 1974). Статистическую обработку и оценку полученных данных производили на ЭВМ по программе «VARX2PC» (Басов и др., 1989). Программа предусматривала поиск и дискриминацию артефактных данных с критерием значимости менее 0,05. Исследование способности ВМП индуцировать апоптоз проводили на клетках линии Jurkat (Т-клеточный лимфобластоидный лейкоз человека) методом проточной цитофлуориметрии по критерию появления клеток с гиподиплоидным содержанием ДНК (Trauth et al., 1989).
Экспериментальные животные. Действие ВМП на перевиваемые опухоли исследовали на мышах линии С57ВL6 и гибридах ВДF1 на наборе штаммов:
лимфоцитарный лейкоз Р-388, лимфоидный лейкоз L-1210, рак молочной железы Сарак легких Льюис LLC, меланома В-16, рак шейки матки РШМ-5. В эксперименте с комбинированным применением ВМП и цитостатиков (сарколизин и 6-меркаптопурин) использовали мышей с перевиваемыми опухолями Са-755, В-16 и РШМ-5. Сарколизин (СК) в дозе 3 и 5 мг/кг вводили внутрибрюшинно, а 6меркаптопурин (6-МП) – зондом в желудок в течение 5 дней одновременно с началом воздействия ВМП. Измерения размеров опухолей производили: 1-ое по окончании 5ти дневного курса цитостатиков; 2-е – по окончании 10-ти дневного курса ВМП; 3-е – через неделю после 2-го; 4-ое – через неделю после 3-го.
высокометастазирующего рака молочной железы мышей ВМР-F1.
Критерий противоопухолевой активности: увеличение продолжительности жизни (УПЖ) 25 % или торможение роста опухоли (по массе или объему) 50 %.
Процент УПЖ вычисляли по формуле:
где: О1 – средняя продолжительность жизни в опыте, К1 – средняя продолжительность жизни в контроле.
Процент торможения роста опухоли вычисляли по формуле:
где: О2 – средний показатель роста опухоли в контроле, Влияние ВМП на фазы клеточного цикла. Исследование проводили с помощью импульсного проточного цитофлуориметра IСР-22 (фирма «Фиве», ФРГ). В качестве материала использовали ткань образцов опухолей Са-755 на высоте противоопухолевого эффекта, вызванного применением ВМП. Для интерпретации указанных кривых и пересчета данных в координатах распределения клеток по фазам цикла были применены специальные алгоритмы и программы для ЭВМ, разработанные в лаборатории фармакоцитокинетики РОНЦ им. Н.Н.Блохина РАМН (Добрынин и др., 1974).
Действие ВМП на продукцию активных форм кислорода (АФК).
Исследовали спонтанную люминол-зависимую хемилюминесценцию (ХЛ): in vitro (после воздействии ВМП на клетки) спленоцитов мышей (самцов A/Sn); клеток периферической крови здоровых доноров и больных новообразованиями; in vivo (с предварительным воздействием ВМП на организм) кровь мышей С57ВL с подкожно перевитой меланомой В-16 отдельно, и при комбинированном применении с цитостатиками (сарколизин и 6-меркаптопурин); кровь здоровых доноров и больных раком молочной железы. Измерения ХЛ проводили на приборе «Биолюмат» (модель ЛБ 9500, фирмы Бертольд, ФРГ).
Влияние ВМП на тяжесть лучевого поражения организма животных при общем сублетальном фракционированном облучении. Мыши (гибриды F1(СВАС57ВL) в количестве 102 шт.) были разделены на 10 групп, которые в течение 10 дней подвергались ежедневному фракционированному гамма-облучению ( фракций) в суммарных дозах от 10 Гр до 14 Гр. Опыт и контроль были облучены в 5ти разных дозах, где дозы однократного воздействия составили: 1,0; 1,1; 1,2; 1,3 и 1, Гр. В дни облучения 5 групп мышей (опыт) получали дополнительное ВМПвоздействие (Вмах = 3,0 мТл, f = 100 Гц, Т = 1 час) в магнитотерапевтической установке «Магнитотурботрон», начиная за 1,5 – 2 часа до облучения в гамма– установке, или спустя 0,5 – 1,5 часа после облучения. После завершения курса фракционированного гамма-облучения животных наблюдали в течение 2-х месяцев, ежедневно регистрируя число погибших.
Восстановление тканей животных после лучевых повреждений. Стопы лапок мышей линии Ва1b/С подвергали однократному рентгеновскому облучению на рентгеновском аппарате РУТ-25 в дозах 17 Гр., 20 Гр., 25 Гр., 30 Гр. и 36 Гр, вызывающему развитие поражения кожи до уровня сухой эпидермит – влажный эпидермит – локальный некроз. Половина животных из каждой группы (опыт) получала ВМП - воздействие (Вмах= 3,0 мТл, f = 100 Гц) при ежедневной экспозиции Т = 1 час в течение месяца. Динамику процесса развития поражения кожи наблюдали в течение 40 дней. Модифицирующее действие ВМП (уменьшение тяжести развивающихся реакций и сокращение сроков заживления) оценивали по уменьшению площади под кривой, очерчивающей максимальную тяжесть поражения кожи в течение всего срока наблюдения. Для оценки эффекта использовали бальную шкалу тяжести лучевых реакций кожи конечности мышей, разработанную и применяемую при оценке радиомодификаторов в лаборатории лучевых методов лечения опухолей РОНЦ. Кривые развития процесса лучевых реакций для разных групп контроля и опыта сравнивали между собой.
Клинические исследования. Для исследований был привлечен контингент из 114 первичных больных с диагнозом местнораспространенного рака молочной железы III-ей стадии (Т1-3N2-3М0) в возрасте до 65 лет. Опытная группа (70 больных) получили комбинированное предоперационное лечение по стандартной схеме с применением воздействия ВМП с помощью установки «Магнитотурботрон».
Продолжительность курса ВМП-воздействия определяли длительностью основного (химиолучевого) лечения. Оценку непосредственных результатов лечения проводили через 3 – 6 недель после начала предоперационного лечения. Оценку отдаленных результатов лечения проводили по данным наблюдения больных в течение 5-ти лет с контрольными осмотрами через каждые 6 месяцев.
Аппаратурное обеспечение. В исследованиях с клеточными культурами и экспериментальными животными были использованы специально созданные для этой цели генераторы вихревого магнитного поля (разработки ГУП ОНПК «Здоровье») с программно управляемым источником питания для формирования заданных параметров по заданному закону сигнала ВМП с варьированием индукции магнитного поля и частоты вращения в пределах: Вмах = 1.5 – 3,5мТл, f = 50 – 200 Гц.
«