«ЗАКОНОМЕРНОСТИ И МЕХАНИЗМЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ТЕРАГЕРЦЕВОГО ДИАПАЗОНА НА ЧАСТОТАХ АКТИВНЫХ КЛЕТОЧНЫХ МЕТАБОЛИТОВ ...»

Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Саратовский государственный медицинский университет

имени В.И. Разумовского»

Министерства здравоохранения Российской Федерации

На правах рукописи

ЦЫМБАЛ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ И МЕХАНИЗМЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО

ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ТЕРАГЕРЦЕВОГО

ДИАПАЗОНА НА ЧАСТОТАХ АКТИВНЫХ

КЛЕТОЧНЫХ МЕТАБОЛИТОВ

03.03.01 - физиология Диссертация на соискание ученой степени доктора медицинских наук

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ

Заслуженный деятель науки РФ, доктор медицинских наук, профессор Киричук Вячеслав Федорович Саратов -

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………………………………………………………………………… ГЛАВА 1. Биофизические эффекты электромагнитного излучения субмиллиметровой части терагерцового диапазона и перспективы терагерцовых биомедицинских технологий (обзор литературы)………….. 1.1. История открытия и освоения электромагнитных волн терагерцового диапазона. Биофизические аспекты излучения………………………………. 1.2. Классификация откликов биологических систем различного уровня организации на электромагнитное излучение терагерцового диапазона…... 1.2.1. Эффекты влияния электромагнитных волн терагерцового диапазона на молекулярном уровне……………………………………… 1.2.2. Характер откликов биологических систем на клеточном уровне при воздействии электромагнитным излучением терагерцового диапазона…………………………………………………………………... 1.2.3. Особенности биологического действия электромагнитных волн терагерцового диапазона на органном, системном и организменном уровнях……………………………………………………………………… 1.3. Возможности детерминированного управления терагерцовыми волнами реакционной активностью основных клеточных метаболитов…………….. 1.3.1. Молекулы-метаболиты – стабильные и строго воспроизводимые структуры биосреды……………………………………………………… 1.4. Применение электромагнитных волн терагерцового диапазона. Первый опыт клинического применения терагерцовых волн у здоровых добровольцев и пациентов с различной патологией…………………………. Глава 2. Материалы и методы исследования………..……………………….. 2.1. Организация экспериментов с лабораторными животными и описание экспериментальных моделей……………………………………………..……. 2.1.1. Экспериментальное моделирование острого и длительного иммобилизационного стрессов…………………………………………… 2.2. Объекты исследования и экспериментальные группы………………….. 2.3. Методика облучения лабораторных животных и техническая характеристика прибора, использованного в экспериментах……………….. 2.4. Забор образцов крови у лабораторных животных ……………………… 2.5. Приготовление анализируемых образцов крови………………………… 2.6. Методы исследования состояния гипофизарно-тиреоидной системы у экспериментальных животных………………………………………………. 2.6.1. Количественное определение концентрации тиреотропного гормона в сыворотке крови методом твердофазного иммуноферментного анализа…………………………………………….. 2.6.2. Количественное определение концентрации общего тироксина в сыворотке крови методом твердофазного иммуноферментного анализа……………………………………………………………………... 2.6.3. Количественное определение концентрации общего трийодтиронина в сыворотке крови методом твердофазного иммуноферментного анализа…………………………………………….. 2.6.4. Иммуноферментное определение концентрации свободной фракции тироксина в сыворотке крови…………………………………. 2.6.5. Иммуноферментное определение концентрации свободной фракции трийодтиронина в сыворотке крови……………………….…. 2.6.6. Количественное определение концентрации тиреоглобулина в сыворотке крови………………………………………………………… 2.6.7. Иммуноферментное определение концентрации антител к тиреопероксидазе в сыворотке крови…………………………………… 2.6.8. Иммуноферментное определение концентрации антител к тиреоглобулину в сыворотке крови………………………………….. …. 2.7. Определение концентрации кортикостерона в сыворотке крови у экспериментальных животных……………………………………………….... 2.8. Методы исследования коагуляционного звена системы гемостаза, антикоагулянтного потенциала крови и ее фибринолитической активности у экспериментальных животных………………………………………………… 2.8.1. Определение активированного частичного тромбопластинового времени (АЧТВ)………………………………………………...…………. 2.8.2. Определение протромбинового времени и международного нормализованного отношении (МНО)…………………………………… 2.8.3. Унифицированный гравиметрический метод определения концентрации фибриногена………………………………………………. 2.8.4. Определение величины тромбинового времени………………… 2.8.5. Определение активности фактора XIII (фибриназы)………….. 2.8.6. Определение активности естественного прогрессивного антикоагулянта антитромбина III……………………………………... 2.8.7. Определение активности протеина С…………………………… 2.8.8. Определение XIIа- калликреин - зависимого фибринолиза…………… 2.8.9. Определение индуцированного стрептокиназой эуглобулинового фибринолиза………………………………………………………………….. 2.8.10. Вычисление индекса резерва плазминогена………………………... 2.8.11. Определение ранних продуктов деградации фибриногена и растворимых фибрин-мономерных комплексов………………………… 2.8.12. Определение ранних продуктов деградации фибриногена и растворимых фибрин-мономерных комплексов тестом склеивания стафилококков……………………………………………………………... 2.8.13. Определение D-димеров в плазме крови (NycoCard D-Димер с использованием NycoCard Reader II)…………………………………… 2.9. Методы исследования процессов липопероксидации и активности антиоксидантной системы крови…………...…………………………... 2.9.1. Колориметрический метод определения малонового диальдегида в эритроцитах и плазме крови………………………………………….. 2.9.2. Спектрофотометрический метод определения гидроперекисей липидов…………………………………………………………………….. 2.9.3. Определение молекул средней массы в сыворотке крови……….. 2.9.4. Фотоколориметрический ультрамикрометод определения общих сульфгидрильных групп сыворотки крови………………………………. 2.9.5. Спектрофотометрический метод определения активности каталазы………………………………………………………………….. 2.9.6. Спектрофотометрический метод определения активности супероксиддисмутазы……………………………………………………. 2.9.7. Спектрофотометрический метод определения перекисной резистентности эритроцитов…………………………………………. 2.9.8. Спектрофотометрический метод определения витамина Е в сыворотке крови………………………………………………………….. 2.10. Методы исследования метаболического статуса у экспериментальных животных………………………………………………………………………. 2.10.1. Унифицированный метод определения общего белка сыворотки крови по биуретовой реакции……………………………………………. 2.10.2. Унифицированный метод определения содержания альбуминов в сыворотке крови по реакции с бромкрезоловым зелёным……………... 2.10.3. Определение белковых фракций сыворотки крови путём электрофоретического разделения на бумаге…………………………. 2.10.4. Унифицированный метод определения активности глутатион-S-трансферазы……………………………………………… 2.10.5. Колориметрический модифицированный метод определения церулоплазмина……….…………………………………………….…….. 2.11. Определение основных показателей газового и электролитного составов крови у экспериментальных животных……………….…………... 2.12. Определение концентрации нитритов в сыворотке крови у экспериментальных животных ………………………………………….…… 2.13. Флуоресцентная спектроскопия облученного терагерцовыми волнами раствора альбумина……………………………………………………………… 2.14. Определение уровня мембранной экспрессии и активности тромбоцитарных рецепторов IIb3 методом проточной цитометрии …….. 2.15. Изучение секреции -гранул тромбоцитов методом проточной цитометрии…………………………………………………………………….. 2.16. Количественное определение концентрации асимметричного диметиларгинина (ADMA) в сыворотке крови методом твердофазного иммуноферментного анализа………………………………………………… 2.17. Количественное определение уровня эндотелиальной синтазы оксида азота (eNOS) в плазме крови методом твердофазного иммуноферментного анализа……………………………………………………….………………… 2.18. Количественное определение концентрации big endothelin-1(1-38) в сыворотке крови методом твердофазного иммуноферментного анализа…. 2.19. Методы статистического анализа…………………………………………. Глава 3. Влияние электромагнитных волн терагерцового диапазона на частотах активных клеточных метаболитов на измененный эндокринный статус стрессированных крыс-самцов……………………………………….. 3.1. Изменения функциональной активности гипофизарно-тиреоидной иммобилизационного стресса………………………………………………... 3.2. Влияние электромагнитного облучения терагерцового диапазона на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц на показатели функциональной активности гипофизарно-тиреоидной системы у крыс-самцов в условиях острого стресса………………………………………………………………... 3.3. Восстановление показателей гипофизарно-тиреоидной системы у крыс-самцов электромагнитными волнами терагерцового диапазона на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц в условиях длительного стресса ………………………………………………………………………… 3.4. Влияние электромагнитных волн терагерцового диапазона на частоте молекулярного спектра атмосферного кислорода 129,0 ГГц на концентрацию кортикостерона – маркера стресс-реакции………………… 3.5. Изменения концентрации кортикостерона у экспериментальных атмосферного кислорода 129,0 ГГц на фоне введения неселективного ингибитора конститутивных изоформ NO-синтаз………………………….. Резюме…………………………………………………………………………. Глава 4. Электромагнитные волны терагерцового диапазона на частоте атмосферного кислорода 129,0 ГГц в нормализации измененных показателей системы гемостаза и фибринолиза у экспериментальных животных………………………………………………………………………… 4.1. Постстрессорные изменения коагуляционной активности крови, ее антикоагулянтного потенциала и процесса фибринолиза у крыс-самцов… 4.2. Изменения прокоагулянтных, антикоагулянтных свойств крови и ее фибринолитического потенциала у крыс-самцов, находящихся в состоянии острого иммобилизационного стресса, при облучения терагерцовыми волнами на частоте атмосферного кислорода 129,0 ГГц………………….. антикоагулянтной активности крови и ее фибринолитических свойств у крыс-самцов в состоянии длительного иммобилизационного стресса на фоне кислорода 129,0 ГГц…………………………………………………………... Резюме…………………………………………………………………………. Глава 5. Влияние электромагнитных волн терагерцового диапазона на стрессированных крыс…………………………………………………………. 5.1. Изменения интенсивности процессов перекисного окисления липидов и состояния антиоксидантной (антирадикальной) системы крови у крыссамцов в условиях стресса……………………………………………………. 5.2. Влияние электромагнитных волн терагерцового диапазона на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц на показатели перекисного окисления липидов и антиоксидантной защиты у крыс-самцов в условиях острого стресса………………………………………………………………................. 5.3. Нормализация показателей липопероксидации и антиоксидантной системы у крыс-самцов в условиях длительного стресса при воздействии электромагнитным облучением терагерцового диапазона на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц……………………………………………………. Резюме ………………………………………………………………………… Глава 6. Применение электромагнитных волн терагерцового диапазона на постстрессорных изменений газового и электролитного составов крови у крыс-самцов……………………………………………………………………... 6.1. Особенности влияния экспериментального стресса на газовый и электролитный составы крови у крыс-самцов………………………………. 6.2. Влияние электромагнитного облучения терагерцового диапазона на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц на показатели газового и электролитного составов крови у крыс-самцов в условиях острого стресса…………………………………………………………………………. 6.3. Характер изменений газового и электролитного составов крови у крыссамцов при воздействии электромагнитным облучением терагерцового диапазона на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц в условиях длительного стресса…………………………………………………………... Резюме…………………………………………………………………………. Глава 7. Восстановление основных показателей метаболического статуса у стрессированных крыс терагерцовыми волнами на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц …………………………………………………………….. 7.1. Характеристика постстрессорных системных метаболических расстройств у крыс-самцов…………………………………………………... 7.2. Восстановление измененных показателей метаболического статуса стрессированных крыс-самцов электромагнитным облучением терагерцового диапазона на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц… 7.3. Нормализация основных показателей метаболического статуса у крыссамцов в условиях длительного стресса при воздействии электромагнитным облучением терагерцового диапазона на частотах оксида азота 150,176ГГц……………………………………………………………………. Резюме…………………………………………………………………………. Глава 8. Механизм действия электромагнитных волн терагерцового диапазона на частотах активных клеточных метаболитов на биообъекты различного уровня организации ………………………………………........... 8.1. Отклики на молекулярном уровне организации биосистем на облучение электромагнитными волнами терагерцового диапазона на частотах активных клеточных метаболитов ……………………………………………………... 8.2. Биологические эффекты волн терагерцового диапазона на частотах активных клеточных метаболитов на клеточном уровне………

8.2.1. Влияние терагерцовых волн на частотах активных клеточных метаболитов на уровень мембранной экспрессии и активности рецепторов IIb3 тромбоцитов в состоянии покоя и при их активации с помощью АДФ…………………………………………… 8.2.2. Исследование влияния терагерцовых волн на частотах активных клеточных метаболитов на реакцию освобождения -гранул тромбоцитов…………………………………………………. 8.3. Биологические эффекты волн терагерцового диапазона на частотах активных клеточных метаболитов, реализующиеся на тканевом уровне… 8.3.1. Влияние электромагнитного излучения терагерцового диапазона на частотах активных клеточных метаболитов на функциональную активность эндотелия сосудистой стенки…………………………. 8.3.2. Влияние терагерцового облучения на частоте атмосферного кислорода 129,0 ГГц на содержание и активность eNOS при остром стрессе на фоне введения L-NAME…………………………………… 8.3.3. Влияние терагерцовых волн на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц на процессы липопероксидации в тканях и состояние антиоксидантных систем………………………………... Резюме…………………………………………………………………………. Заключение…………………………………………………………………… Выводы………………………………………………………………………... Практические рекомендации………………………………………………. Литература…...………………………………………………………………..

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АЛТ – аланинаминотрансфераза АСТ – аспартатаминотрансфераза АЧТВ – активированное частичное тромбопластиновое время ИК – инфракрасный КВЧ – крайне высокие частоты ЛДГ – лактатдегидрогеназа МНО – международное нормализованное отношение МСИП – молекулярный спектр излучения и поглощения РФМК – растворимые фибрин-мономерные комплексы Т3 – трийодтиронин Т4 – тетрайодтиронин (тироксин) ТГ – тиреоглобулин ТГЧ – терагерцовые частоты Т-лучи – терагерцовые лучи (волны) ТТГ – тиреотропный гормон гипофиза ЭМИ – электромагнитное излучение ADMA – асимметричный диметиларгинин big ET-1 – big endothelin-1 (1-38), большой эндотелин-1(1-38) eNOS – эндотелиальная конститутивная синтаза оксида азота NO – оксид азота NOS – синтаза оксида азота

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Развитие радиоэлектроники за последние годы, ее внедрение во все области науки, техники, в быт является неотъемлемой стороной человеческой электромагнитного излучения, создаваемые всевозможными искусственными источниками, такими как теле- и радиопередающие центры, гражданские и военные радиолокационные установки, различные системы радиосвязи, в том числе системы сотовой и спутниковой связи, различные электробытовые приборы (микроволновые печи, телевизоры, компьютеры, холодильники, кондиционеры и т.д.), а также технологические установки в промышленности [Бецкий, Козьмин, Яременко; 2008, с. 48-54; Шеин, Марковская, 2010, с. 5-26;

Федоров, 2011, с. 5-17; Hosako, Fukunaga, 2011, р. 722-731].

Живые организмы окружены электромагнитными полями естественных источников излучения, прежде всего космического, и миллионы лет в процессе эволюции успели к ним адаптироваться [Бецкий, Козьмин, Яременко; 2008, с. 48-54]. Искусственно созданные электромагнитные поля являются новым фактором окружающей среды, и пока не вполне понятно, какое именно биологических системах [Терагерцовые волны …, 2005, с. 40-48; Киричук, 2007, с. 98-126; Родштат, 2008, с. 19-24; Terahertz generation …, 2011, р. 426Xiaofei, Zhang, 2011, р. 562-569; Emission of Terahertz …, 2011, р. 629Пока отсутствует однозначный ответ на вопрос о механизме этого действия. И это ставит много задач, на которые ученые обратили внимание сразу после появления мощных источников радиоизлучений.

Большинство абиотических факторов внешней среды, играющих важную роль в процессах жизнедеятельности человека, имеют электромагнитную природу электромагнитные излучения используются как носители разнообразной информации в биосфере.

Терагерцовый диапазон частот лежит на границе между электроникой и рассматриваемый диапазон электромагнитных волн используется живыми организмами для связи и управления, при этом сами живые организмы излучают колебания миллиметрового диапазона [Гершензон, Малов, Мансуров, 2000, 272 с; Информационные взаимодействия..., 2001, с. 1042-1050]. Волны, возбуждаемые в организме при воздействии на него терагерцовым облучением, в известной мере имитируют сигналы внутренней связи и управления восстанавливается нормальное по спектру и мощности излучение, свойственное здоровому организму [Информационные взаимодействия..., 2001, с. 1042-1050].

Есть мнение, что реакционная способность молекул, возбужденных терагерцовым квантом, будет на порядок выше, чем при возбуждении КВЧквантом [Биофизические эффекты …, 2003, с. 3-6]. К особенностям терагерцовых волн относится также и то, что ТГЧ-излучение свободно проникает сквозь одежду и кожу до мышц человека [Конако, Фэйтс, 2002, 102 с.].

Терагерцовый диапазон частот все больше привлекает к себе внимание биомедицинскими технологиями. Это, прежде всего, связано с эффектами, проявляющимися при взаимодействии излучения именно этого диапазона с биологическими средами, а также с тем, что именно в нём, сосредоточены частотные молекулярные спектры излучения и поглощения важнейших клеточных метаболитов (NO, O2, CO2, CO, OH- и др.) [Бецкий, Козьмин, Яременко, 2008, с. 48-54; The HITRAN molecular..., 2003, р. 5-44; Emission of Terahertz …, 2011, р. 629-645].

Фундаментальной основой функционирования сложных биологических систем являются молекулы-метаболиты, стабильные и строго воспроизводимые молекулярные структуры биосреды. Поэтому детерминированное управление их реакционной способностью излучением, совпадающим по спектрам их излучения и поглощения, может направленно регулировать процесс метаболизма в биосреде. Анализ биомедицинских эффектов электромагнитного излучения на частотах молекулярных спектров атмосферных газов-метаболитов показывает прямую связь спектров заданного метаболита и его свойств в биосреде. Это соответствует представлениям о веществе и поле как о единой системе [Панарамно-спектрометрический …, 2001, с. 35-37].

Биофизические эффекты волн терагерцового диапазона дают основания и открывают перспективы развития новых направлений в биомедицинской технологии: «терагерцовая терапия» и «терагерцовая диагностика»

[Биофизические эффекты …, 2003, с. 3-6].

электромагнитные волны молекулярного спектра излучения и поглощения активных клеточных метаболитов (NO, O2 и др.). Оксид азота является одним из важнейших биологических медиаторов, вовлеченных во множество физиологических и патофизиологических процессов. Он представляет собой уникальный по своей природе и механизмам действия вторичный мессенджер в большинстве клеток организма [Голиков, 2004, 180 c.; Оксид азота …, 2008, с. 83-91; Ignarro, Wood, 1987, р. 160-170; Lowenstein, Dinerman, Snyder 1994, р. 227-237; Ignarro, Murad, 1995, р. 1-516; Snyder, Bredt, 1995, р. 125-128; LloydJones, Bloch, 1996, р. 365-375; Hart, 1999, р. 1407-1417; Michel, 1999, р. 5-7;

Nitric oxide …, 2000, р. 11609-11613; Battinelli, Loscalzo, 2000, р. 3451-3459;

Davis, Cai, Drummond, 2001, р. 25-30; Davis, Cai, Drummond, 2003, р. 1449-1453;

Murad, 2003, р. 264-278; Regulation of nitric..., 2003, р. 12504-12509; Nitric oxide suppresses..., 2007, р. 61-67; Effect of effective..., 2007, р. 66-69; Huerta, Chilka, Bonavida, 2008, р. 909-927; Vasorelaxing activity …, 2011, р. 339-344; The protective …, 2012, р. 171-178].

В экспериментальных работах по изучению влияния терагерцового облучения на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц обнаружено, что оно внутрисосудистом компоненте микроциркуляции за счет восстановления электромагнитного …, 2004, с. 21-27]. Также установлено, что в условиях эксперимента in vivo воздействие ТГЧ-облучения на частотах МСИП оксида азота 150,176-150,664 ГГц в течение 30 минут на животных, находящихся в состоянии острого иммобилизационного стресса, вызывает восстановление измененной функциональной активности тромбоцитов [Влияние КВЧ-NO …, 2005, с. 64-70].

Определенный интерес в настоящее время вызывают также терагерцовые волны на частоте 129,0 ГГц, соответствующей спектру излучения и поглощения атмосферного кислорода [Бецкий, Козьмин, Яременко, 2008, с. 48-54; Влияние ЭМИ ТГЧ …, 2008, с. 40-48]. Поскольку недостаток кислорода в органах и тканях ведет к нарушению окислительных процессов, изменяя нормальное обусловливая гипоксию и ишемию, поэтому важным является изучение электромагнитного излучения на частоте молекулярного кислорода [Влияние ЭМИ ТГЧ …, 2008, с. 40-48].

Показано влияние ЭМИ на частоте атмосферного кислорода 129,0 ГГц на иммобилизационного стресса. Выявлено, что под воздействием ТГЧ-облучения 129,0 ГГц в течение 5 минут уже происходит нормализация нарушенной иммобилизационного стресса [Влияние ЭМИ ТГЧ …, 2008, с. 40-48].

В отдельных экспериментальных работах указывается возможность изменения активности стресс-реализующих систем электромагнитными волнами терагерцового диапазона [Изменения концентрации …, 2008, с. 1285однако отсутствуют исследования, доказывающие возможность использования терагерцевых волн на частотах активных клеточных метаболитов в качестве метода физиологической неинвазивной регуляции ряда важнейших функций организма. Все вышеизложенное дало основание для проведения настоящего исследования.

Установить закономерности и механизмы биологического действия электромагнитных волн терагерцевого диапазона на частотах активных экспериментальных животных при различных моделях стресса.

терагерцевого диапазона на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц и атмосферного кислорода 129,0 ГГц на измененную функциональную активность эндокринных желез: гипофиза, щитовидной железы, надпочечников у стрессированных крыс.

2. Обосновать эффективность различных временных режимов терагерцевого излучения на частотах атмосферного кислорода 129,0 ГГц на измененные показатели коагуляционного звена системы гемостаза и фибринолиза при иммобилизационном стрессе у экспериментальных животных.

3. Выявить закономерности влияния терагерцевых волн на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц на интенсивность процессов перекисного окисления липидов и состояние ферментного и неферментного звеньев антиоксидантной системы крови при острой и длительной иммобилизации крыс-самцов.

4. Изучить характер влияния электромагнитных волн терагерцевого диапазона на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц на измененные показатели газового и электролитного составов крови крыс-самцов в состоянии острого и длительного стрессов.

5. Оценить эффективность влияния электромагнитных волн терагерцевого диапазона на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц на измененные показатели метаболического статуса у стрессированных животных в зависимости от времени воздействия указанными волнами.

6. Исследовать механизмы влияния электромагнитных волн терагерцевого диапазона на частотах активных клеточных метаболитов (150,176-150,664 ГГц и 129,0 ГГц) на биосистемы различного уровня организации.

1. Облучение животных в условиях острого и длительного стрессов терагерцевыми волнами на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц в течение 30 минут приводит к полной нормализации функциональной активности щитовидной железы и концентрации ТТГ гипофиза. 15-минутное облучение крыс-самцов указанными волнами вызывает лишь частичную нормализацию гипофизарно-тиреоидной активности. 5-минутный режим облучения является неэффективным в восстановлении изучаемых показателей у стрессированных крыс-самцов.

Воздействие терагерцевыми волнами на частоте атмосферного кислорода 129,0 ГГц в течение 30 минут на экспериментальных животных в условиях острого и длительного стрессов сопровождается полной нормализацией концентрации кортикостерона в крови. Применение электромагнитных волн терагерцевого диапазона на частоте атмосферного кислорода 129,0 ГГц в течение 15 минут при остром стрессе у крыс сопровождается полной, а при длительной иммобилизации только частичной нормализацией уровня кортикостерона в крови. 5-минутное облучение крыс указанными волнами в условиях острого стресса приводит к частичной нормализации уровня кортикостерона в крови, а при длительном стрессе было неэффективным.

Наиболее эффективным в восстановлении измененных показателей гемокоагуляции и фибринолиза у животных в условиях острого и длительного стрессов является 30-минутный режим облучения терагерцевыми волнами на частоте атмосферного кислорода 129,0 ГГц. При 15-минутном режиме облучения стрессированных крыс-самцов положительный эффект на изучаемые показатели, характеризующие коагуляционный потенциал крови и фибринолиз, частичный. При облучении животных, находящихся в состоянии острого и длительного стрессов, по 5 минут терагерцевыми волнами на частоте атмосферного кислорода 129,0 ГГц положительные эффекты на изучаемые показатели отсутствовали.

3. При облучении животных терагерцевыми волнами на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц на фоне острого и длительного стрессов наиболее эффективным в нормализации процессов ПОЛ и антиоксидантного потенциала крови оказался 30-минутный режим воздействия. При 15-минутном режиме облучения указанными волнами у животных происходит частичное восстановление показателей, характеризующих процессы липопероксидации и антиоксидантную активность крови. 5-минутный режим воздействия терагерцевыми волнами при острой и длительной иммобилизации крыс-самцов оказался не эффективным в восстановлении изучаемых показателей.

4. При однократном или ежедневном в течение 5 дней применении терагерцевого излучения на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц по минут у крыс-самцов, находящихся в состоянии как острого, так и длительного стресса, наблюдается полная нормализация измененных показателей газового и электролитного составов крови. Воздействие на стрессированных крыс-самцов, терагерцевым излучением на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц однократно или ежедневно в течение 5 дней по 15 минут вызывает частичное восстановление показателей газового и электролитного составов крови.

Воздействие указанными волнами в течение 5 минут не оказывает положительного влияния на измененные показатели оксигенации крови и ее электролитный состав у экспериментальных животных.

5. Наиболее эффективным в нормализации основных показателей метаболического статуса у экспериментальных животных при остром и длительном вариантах иммобилизационного стресса является 30-минутный режим облучения терагерцевыми волнами на частотах оксида азота 150,176ГГц. Частичный нормализующий эффект на показатели метаболического статуса у стрессированных крыс-самцов оказывает 15минутный режим воздействия терагерцевыми волнами на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц. Однократное или ежедневное в течение 5 дней воздействие указанными волнами по 5 минут на животных, находящихся в состоянии острого и длительного стрессов, не вызывает изменений в исследуемых показателях метаболического статуса.

6. Механизмы действия терагерцевых волн на частотах активных клеточных метаболитов реализуются на молекулярном, клеточном, органно-тканевом и организменном уровнях организации биологических систем.

Впервые экспериментально обосновано использование электромагнитных волн терагерцевого диапазона на частотах активных клеточных метаболитов для восстановления измененных показателей гомеостаза у животных при стрессе.

Изучено влияние различных временных режимов воздействия электромагнитным излучением терагерцевого диапазона на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц и атмосферного кислорода 129,0 ГГц на измененные гомеостатические параметры у крыс-самцов, находящихся в состоянии острого и длительного иммобилизационного стрессов.

Получены новые данные о характере воздействия электромагнитных волн терагерцевого диапазона на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц на гипофизарно-тиреоидную активность у животных при стрессе.

Впервые показано стресс-лимитирующее действие электромагнитного излучения терагерцевого диапазона на частоте атмосферного кислорода 129,0 ГГц у иммобилизированных животных.

Впервые изучен характер влияния электромагнитных волн терагерцевого диапазона на частоте атмосферного кислорода 129,0 ГГц на измененные при стрессе показатели коагуляционного звена системы гемостаза, антикоагулянтной и фибринолитической активности крови крыс-самцов.

Выявлена зависимость эффективности влияния электромагнитного излучения указанного диапазона на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц у стрессированных крыс-самцов от времени воздействия на состояние процессов липопероксидации и антиоксидантной системы крови. Наиболее эффективными в восстановлении измененных показателей являются 15- и 30минутные режимы облучения.

Впервые в различных вариантах моделирования стресс-реакции у животных обнаружена возможность использования терагерцевых волн на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц для восстановления измененных показателей электролитного состава крови и степени ее оксигенации.

Доказана эффективность электромагнитных волн терагерцевого диапазона на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц в нормализации измененных показателей метаболического статуса стрессированных крыс-самцов.

Проведенные исследования позволили раскрыть ряд механизмов влияния электромагнитных волн терагерцевого диапазона на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц и атмосферного кислорода 129,0 ГГц на биообъекты.

Обнаружено, что они реализуются на молекулярном, клеточном, органнотканевом и организменном уровнях организации биологических систем.

Впервые с помощью электромагнитных волн терагерцевого диапазона на частотах активных клеточных метаболитов установлена возможность нормализации уровня и активности eNOS в плазме крови у стрессированных животных.

доказано участие конститутивных изоформ NO-синтаз в механизмах положительного влияния терагерцевых волн на частоте атмосферного кислорода 129,0 ГГц на измененные показатели гомеостаза у крыс при стрессе.

Научная новизна работы подтверждена 7 патентами на изобретения Федеральной службы по интеллектуальной собственности (Роспатент).

Представлена новая физиологическая концепция о механизмах влияния электромагнитного излучения терагерцевого диапазона на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц и атмосферного кислорода 129,0 ГГц на состояние показателей гомеостаза у экспериментальных животных. Понимание механизмов влияния указанных волн на биообъекты позволяет более целенаправленно и адекватно осуществлять применение терагерцевого излучения как в эксперименте на животных, так и в клинической практике.

Экспериментально обоснованы наиболее оптимальные временные режимы облучения электромагнитными волнами терагерцевого диапазона частот, обеспечивающие максимально эффективную коррекцию измененных показателей гомеостаза у экспериментальных животных при остром и длительном вариантах иммобилизационного стресса.

Получены новые данные о характере стресс-лимитирующего действия электромагнитного облучения терагерцевого диапазона на частоте атмосферного кислорода 129,0 ГГц.

электромагнитных волн терагерцевого диапазона на частотах активных клеточных метаболитов в клинической практике для нормализации гомеостатических показателей у больных терапевтического профиля.

Полученные результаты в ходе настоящего исследования послужили основанием для разработки медицинского аппарата «Орбита», который приказом Росздравнадзора от 14 августа 2009 года, № 6507-Пр/09, разрешен к производству, продаже и применению на территории РФ (регистрационное удостоверение № ФСР 2009/05497, лицензия на осуществление деятельности по производству прибора от 7 июня 2010 года № 99-03-002043).

Результаты исследования могут быть использованы в учебнометодической работе кафедр физиологии медицинских вузов, а разработанные оптимальные режимы воздействия электромагнитными волнами терагерцевого диапазона отражены в опубликованных методических рекомендациях по использованию аппарата «Орбита» для врачей-интернов, ординаторов и практикующих врачей всех специальностей.

электромагнитного излучения терагерцового диапазона на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц и атмосферного кислорода 129,0 ГГц на показатели гомеостаза белых крыс-самцов при различных вариантах иммобилизационного стресса проведены в рамках отраслевой научно-исследовательской программы № 9: «Этиопатогенез, диагностика и лечение заболеваний крови» на тему:

«Исследование влияния на сложные биологические системы электромагнитных колебаний на частотах молекулярных спектров излучения и поглощения веществ, участвующих в метаболических процессах» (договор № 005/037/ от 25 сентября 2001 года с МЗ РФ), программы РАМН «Научные медицинские исследования Поволжского региона на 2008-2010 гг.», по направлению «Экспериментальные исследования влияния радиоимпульсного излучения на функциональное состояние белых крыс (биообъекты) при различных видах стресса», утверждено Президиумом РАМН 23 апреля 2008 г., протокол № 7 и международного договора о научно-техническом сотрудничестве с исследовательским центром по биофотонике Института биомедицинской инженерии и технологий здравоохранения и Шеньчженьского института передовых технологий Китайской академии наук и ГБОУ ВПО Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского Минздрава России от 02.03.2010.

Внедрение в практику результатов исследования Полученные результаты используются в процессе преподавания на кафедрах нормальной физиологии им. И.А. Чуевского и патологической физиологии ГБОУ ВПО «Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского» Минздрава России; кафедре физиологии человека и животных ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского» Минобрнауки России;

кафедре медико-биологических дисциплин НОУ ВПО «Медицинский институт «РЕАВИЗ».

Вклад автора заключается в непосредственном участии на всех этапах исследования: от постановки задач, их теоретической и практической реализации до обсуждения полученных результатов в научных публикациях, докладах и их внедрения в практику. Автором была лично выполнена экспериментальная часть работы, а также - аналитическая и статистическая обработка полученных данных.

Основные положения работы доложены на II съезде физиологов СНГ (Кишинев, Молдова, 2008); Всероссийской конференции с международным участием «Актуальные вопросы медицинской науки» (Ярославль, 2009); 15-м Российском симпозиуме с международным участием «Миллиметровые волны в биологии и медицине» (Москва, 2009); X международном конгрессе «Здоровье и образование в XXI веке. Инновационные технологии в биологии и медицине»

(Москва, 2009); XXI съезде физиологического общества имени И.П. Павлова (Москва-Калуга, 2010); 5-й Всероссийской конференции с международным участием «Клиническая гемостазиология и гемореология в сердечнососудистой хирургии» (Москва, 2011); XXII Съезде физиологического общества имени И.П. Павлова (Волгоград, 2013); Общероссийском научнопрактическом мероприятие - эстафета «Вузовская наука-2013» (Москва, 2013).

По материалам диссертации опубликовано 86 печатных работ, в том числе 15 работ в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, монография, 1 методические рекомендации, 4 статьи в иностранных журналах.

По теме диссертационного исследования получено 7 патентов на изобретения.

БИОФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ СУБМИЛЛИМЕТРОВОЙ ЧАСТИ ТЕРАГЕРЦОВОГО

ДИАПАЗОНА И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕРАГЕРЦОВЫХ

БИОМЕДИЦИНСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

1.1. История открытия и освоения электромагнитных волн терагерцового диапазона. Биофизические аспекты излучения вызывающих значительные изменения в функциональном состоянии биологических систем различного уровня организации, особая роль принадлежит электромагнитным волнам различного диапазона [Grundler, Kaiser, 1992, р. 551-559].

Естественные и искусственные источники электромагнитной энергии различной частоты оказывают интенсивное воздействие на живые организмы [Бецкий, Девятков, 1996, с. 4-11].

Некоторые электромагнитные излучения хорошо известны и давно используются в промышленности, быту, клинической практике, например, инфракрасное, ультрафиолетовое, ультравысокочастотное, классическое крайневысокочастотное (КВЧ) [Бецкий, 1995, с. 135-138; Бецкий, Девятков, 1996, с. 4-11; Бецкий, 1997, с. 135-137; Электромагнитная безопасность …, 1999, 145 с.; Бецкий, Лебедева, 2001, с. 5-19].

медицинскую практику и показали свою эффективность в лечении широкого круга заболеваний, оказывая нормализующее (восстанавливающее) действие на основные механизмы развития общепатологических процессов, лежащих в основе многочисленных заболеваний [Девятков, 1994, 160 с.; Девятков, Голант, Бецкий, 1991, 168 с.; Девятков, Арзуманов, Бецкий, 1995, с. 6-8; Киричук, Головачева, Чиж, 1999, 338 с.; Бецкий, Лебедева, 2001, с. 5-19].

Этот аспект их применения получил название «КВЧ – терапии», которая, в частности, используется в комплексном лечении заболеваний сердечнососудистой системы [Головачева, 1991, с. 54-57; Паршина, 1994, 28 с.;

Семенова, 1994, 25 с.; Киричук, Паршина, Головачева, 1997, с. 20-22;

Адаптационные реакции …, 2000, с. 37-39; Использование электромагнитных …, 2006, 159 с.].

Во многих экспериментальных и клинических исследованиях показано, микроциркуляции, выражающаяся в уменьшении периваскулярных нарушений [Жуков, 1995, с. 129-130].

Выявлена эффективность КВЧ-воздействия на процессы репарации и регенерации тканей различной морфофункциональной организации [Каменев, 1999, с. 20-25].

Имеется информация о том, что воздействие ЭМИ КВЧ ослабляет или даже полностью купирует болевой синдром [Самосюк, Куликович, Тамарова, 2000, с. 7-11].

Иммуномодулирующее действие ЭМИ КВЧ проявляется в нормализации количественных и качественных показателей системы иммунитета:

восстанавливается соотношение субпопуляций лимфоцитов, снижается уровень аутоиммунных процессов [Радионов, 1995, с. 113-116].

В результате применения ЭМИ КВЧ отмечена положительная динамика в лечении атопического дерматита [Суворов, Киричук, Тарасова, 1998, с. 16хронических бронхитов и бронхиальной астмы [Макаров, Сокуренко, Матвеев, 1991, с. 244-248], язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки [Чаяло, 2002, с. 113-118].

КВЧ-терапия успешно применяется и в педиатрической практике: она оказалась эффективной при лечении заболеваний гастродуоденальной зоны, детского церебрального паралича, эпилепсии, нейродермита, диатеза [Латышева, 1997, с. 58-59].

Выраженный положительный эффект КВЧ-терапии получен при проведении комплексного реабилитационного лечения детей из Чернобыльской зоны, а также детей, часто и длительно болеющих простудными заболеваниями [Применение КВЧ-терапии …, 1995, с. 23-24].

КВЧ-терапия продемонстрировала свою эффективность в комплексном лечении широкого ряда заболеваний. Изучение эффектов влияния КВЧ волн на организм больного человека позволило выделить ряд характерных черт КВЧтерапии [Киричук, Головачева, Чиж, 1999, 338 с.]:

подтвержденные практикой хорошая переносимость и отсутствие отдаленных неблагоприятных результатов КВЧ-терапии;

хорошая сочетаемость КВЧ-терапии с другими видами лечебного воздействия;

высокая эффективность при использовании в качестве монотерапии;

седативное и антистрессорное действие;

невысокая стоимость данного вида лечебного воздействия и удобство применения в условиях стационара.

Таким образом, сформировано и интенсивно развивается одно из перспективных направлений в физиотерапии – «КВЧ-терапия». Определен и продолжает расширяться диапазон лечебных частот и средств КВЧ-терапии, используемых в медицинской практике [Киричук, Головачева, Чиж, 1999, 338 с.; Родштат, 2008, с. 19-24].

В последние годы электромагнитные волны терагерцового диапазона все больше привлекают к себе внимание специалистов, занимающихся не только радиоэлектроникой, но и биомедицинскими технологиями. Это, прежде всего, связано с эффектами, проявляющимися при взаимодействии излучения именно этого диапазона с веществом [Бецкий, Козьмин, Яременко, 2008, с. 48-54].

Биофизические и биомедицинские эффекты субмиллиметровой части терагерцового диапазона – сравнительно новая область исследования [Федоров, 2011, с. 17-27]. Первые публикации, посвященные этому вопросу, появились еще в 1970 году [Залюбовская, 1970, 15 с.]. Однако в течение последующих 30 – 40 лет исследования носили случайный характер, были малочисленны, проводились эпизодически. Это дало повод различным авторам отметить общее отсутствие литературы по этой проблеме, практическую неизученность биологической эффективности субмиллиметрового излучения и отнести это излучение к «белым пятнам» в представлении о влиянии электромагнитных полей на биологические системы [Применение субмиллиметровой …, 1991, с. 176-181].

Еще в 1901 году великий отечественный физик-экспериментатор П.Н. Лебедев в докладе «Шкала электромагнитных волн в эфире» отмечал, что терагерцовый диапазон, соответствующий «молекулярным колебаниям материи», при освоении встретит существенные трудности: «Сейчас мы не имеем возможности предвидеть, как удастся разрешить это затруднение; во всяком случае... способ получения еще более коротких волн будет очень крупным шагом вперед в области экспериментальной физики». Терагерцовый диапазон частот – это последнее «белое пятно» на шкале электромагнитных волн [Лебедев, 1901, доклад; Рытик, 2006, 154 с.].

«субмиллиметровый диапазон остается одним из технически слабо оснащенных участков спектра. В течение многих лет его именовали «спектроскопическим провалом».

Терагерцовыми волнами в последнее время называют электромагнитные волны в частотном диапазоне 102... 104 ГГц (или с длинами волн от 3 мм до 30 мкм) [Бецкий, Козьмин, Яременко, 2008, с. 48-54]. Иногда (по аналогии с рентгеновскими лучами) их называют «Т-лучами». Они занимают большую часть электромагнитного спектра между инфракрасным и микроволновым диапазонами [Бецкий, Козьмин, Яременко, 2008, с. 48-54; Mittleman, Jacobson, Nuss, 1996, р. 679-692]. Считается, что по сравнению с относительно хорошо изученными и технически оснащенными микроволновым, оптическим и рентгеновским диапазонами достижения в области исследования и применения терагерцового излучения пока ограничены и остаются скорее на демонстрационном уровне, несмотря на богатые потенциальные возможности для технического и биомедицинского применения [Бецкий, Козьмин, Яременко, 2008, с. 48-54; Федоров, 2011, с. 17-27].

Следует отметить явное несоответствие уже широко распространенного термина с ранее принятыми. По длинам волн в спектре электромагнитного излучения уже давно используются другие названия. После радиоволн в сторону уменьшения длины волны последовательно расположены сантиметровый, миллиметровый, субмиллиметровый, дальний и ближний инфракрасные диапазоны, за которыми непосредственно следуют видимый свет и ультрафиолет. Эти диапазоны охватывают все длины волн, и между ними не существует никаких промежутков. Аналогично греческим приставкам «кило» – 103, «мега» – 106, «гига» – 109 вводится «тера» – 1012. И, следовательно, к терагерцовому диапазону следовало бы относить излучение с частотами от до 106 ГГц, с длинами волн от 0,3 мм до 0,3 мкм, соответственно, т.е. большую часть субмиллиметрового, весь инфракрасный диапазон и даже часть видимого диапазона [Григорьев, Мелихов, 1991, 1232 с.; Бецкий, Козьмин, Яременко, 2008, с. 48-54; Федоров, 2011, с. 17-27]. Чем вызвано такое несоответствие? По мнению О.В. Бецкого (2008), прежде всего, тем, что субмиллиметровый и дальний инфракрасный диапазоны действительно отставали как в области чисто физических исследований, так и в биомедицинской области. В этом диапазоне было трудно применить методы, идеи и технические решения, используемые и целиком себя оправдавшие при освоении соседних диапазонов.

Таким образом, терагерцовый диапазон частот лежит на границе между электроникой и фотоникой от 100 ГГц до 10 ТГц (1 ТГц = 103 ГГц). Снизу он определен частотно-временным ограничением (более 100 ГГц) электронных переходов в полупроводниковых структурах, а сверху – максимальной длиной волны квантовых переходов лазерных структур. Этот диапазон волн находится на шкале электромагнитных волн между КВЧ-диапазоном и оптическим инфракрасным диапазоном и частично перекрывает высокочастотную часть КВЧ-диапазона (100-300 ГГц) и низкочастотную часть инфракрасного диапазона [Гершензон, Малов, Мансуров, 2002, 272 с.; Биофизические эффекты …, 2003, с. 3-6].

Максимальная энергия кванта h в классическом КВЧ – диапазоне составляет 1,17·10-3 эВ, а в терагерцовом на два порядка выше, то есть ~ 10 -1 эВ.

Ниже энергии кванта в КВЧ-диапазоне оказываются энергия вращения молекул вокруг связей (10-4-10-3 эВ), энергия куперовских пар при сверхпроводимости (10-6-10-4 эВ) и энергия магнитного упорядочения (10-6-10-4 эВ) [Биофизические эффекты …, 2003, с. 3-6]. В терагерцовом диапазоне частот энергия кванта больше указанных фундаментальных энергетических состояний вещества, включая дополнительный (по сравнению с классическими КВЧ), более высокий уровень молекулярного состояния вещества – энергию колебательных уровней (10-2-10-1эВ), который уже близок к энергии ионизации. Энергия молекул взаимодействия при равенстве сил притяжения и отталкивания молекул имеет значение порядка волны …, 2005, с. 4-16; The HITRAN molecular …, 2003, р. 5-44].

Биологические эффекты терагерцового излучения регистрируются при плотности потока мощности излучения значительно ниже 10 мВт/см2. При такой низкой интенсивности излучения интегральный нагрев облучаемых объектов в эксперименте не превышает 0,1 °С. Поэтому электромагнитное излучение терагерцового диапазона относится к «информационным», нетепловым воздействиям [Информационное взаимодействие …, 2000, с. 91Бецкий, Лебедева, 2001, с. 5-19].

Фундаментальной основой функционирования сложных биологических систем являются молекулы-метаболиты, стабильные и строго воспроизводимые молекулярные структуры биосреды. Поэтому детерминированное управление их реакционной способностью излучением, совпадающим с терагерцовыми спектрами их молекулярного излучения и поглощения, может направленно регулировать процесс метаболизма в биосреде [Панорамноспектрометрический …, 2001, с. 35-47].

В таблице 1.1. приводятся молекулярные терагерцовые спектры излучения и поглощения газов атмосферного воздуха и газов, принимающих участие в метаболических процессах в живых объектах, включая дыхание (О2, СО2, Н2О, NO и др.).

излучения и поглощения газов атмосферного воздуха, в том числе газов, принимающих участие в метаболических процессах в концентрация сероводорода 90% концентрация сероводорода 60% (максимум поглощения) Примечание: * - линии поглощения в составе атмосферного воздуха.

Как видно из данных таблицы 1.1 частотные диапазоны спектров ряда газов находятся между коротковолновой частью КВЧ - диапазона и длинноволновой частью терагерцового диапазона. В последнем случае наибольшее влияние на поглощение электромагнитных волн оказывает водяной пар, имеющий около 900 интенсивных линий поглощения.

О.В. Бецкий (2003) указывает, что в терагерцовом диапазоне радиофизические свойства многих веществ существенно изменяются. Так, диэлектрическая проницаемость воды в терагерцовом диапазоне почти в 16 раз меньше, чем на более низких частотах [Биофизические эффекты …, 2003, с. 3Известно, что вода является сильным поглотителем коротковолнового ЭМИ, причем поглощение растет с увеличением частоты. Так, например, поглощение миллиметровых волн плоским слоем воды толщиной в 1 мм при длине волны = 8 мм составляет 20 дБ, а при = 2 мм – 40 дБ; при изменении частоты от 30 до 150 ГГц поглощение увеличивается на 20 дБ, а в диапазоне от 0,1 ТГц (100 ГГц) до 0,5 ТГц (500 ГГц) – почти на 40 дБ. Димеры паров воды вносят существенный вклад в поглощение энергии электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне.

Один из резонансов паров воды, измеренных экспериментально, находится в диапазоне 0,32-0,33 ТГц. В терагерцовом диапазоне частот начинается проявляться дисперсия волн в атмосферном воздухе, в то время как в сантиметровом диапазоне волн она не наблюдается [Hadjiloucas, Karatzas, Bowen, 1999, р. 15-26].

В работе S. Hardjiloucas, L. S. Karatzas, J. W. Bowen (1999) сообщается, что на кривой частотной зависимости ослабления плоского водного капилляра в диапазоне 0,4...0,5 ТГц ослабление составляет 10...15 дБ, что позволяет говорить о так называемых окнах «прозрачности» [Hadjiloucas, Karatzas, Bowen, 1999, р. 15-26].

Наличие подобных окон актуализирует исследования взаимодействия ЭМИ на терагерцовых частотах с биологическими объектами в их водной среде [Hadjiloucas, Karatzas, Bowen, 1999, р. 15-26].

Терагерцовые волны удивительно сочетают в себе лучшие качества своих соседей (электромагнитных волн соседних диапазонов) [Бецкий, Козьмин, Яременко, 2008, с. 48-54]. Как и радиоволны, они легко проникают сквозь многие непрозрачные твердые материалы (только не через металлы!) [Бецкий, Козьмин, Яременко, 2008, с. 48-54; The HITRAN molecular …, 2003, р. 5-44].

Коэффициент поглощения этих материалов в терагерцовом диапазоне много меньше поглощения в ИК и видимом свете. Коэффициент поглощения воды и других водосодержащих сред (в частности, биологических тканей и тканей человеческого организма в том числе) в терагерцовом диапазоне такой же большой, как и в миллиметровом диапазоне, что не позволяет надеяться на получение четких изображений внутренних органов человека, сравниваемых по контрастности с рентгеновскими снимками.

Пространственное разрешение терагерцового излучения (согласно критерию Аббе) значительно меньше пространственного разрешения миллиметровых радиоволн. Как и свет, терагерцовые волны можно легко фокусировать, используя принципы геометрической оптики при конструировании волноведуших трактов. В то же время они испытывают гораздо меньшее рэлеевское рассеяние ~ 4, чем световые волны ближнего ИКили видимого диапазонов [Бецкий, Козьмин, Яременко, 2008, с. 48-54; The HITRAN molecular …, 2003, р. 5-44].

Т-лучи имеют несколько преимуществ по сравнению с рентгеном главным из них является то, что энергия фотона (например, 4 мэВ для 1 ТГц) очень мала и не подвергает биологическую ткань вредному облучению. Для сравнения: типичная энергия фотона рентгена составляет ~ кэВ, что в 106 раз больше [Мериакри, 2002, с. 15-18; Бецкий, Козьмин, Яременко, 2008, с. 48-54;

Mittleman, Jacobson, Nuss, 1996, р. 679-692; Mittleman, Hunshe, Boivin, 1997, р. 904-906].

Уникальные вращательные, вибрационные и трансляционные спектры материалов (молекул, радикалов и ионов) проявляются в терагерцовом отклике и обеспечивают информацию, которая вообще отсутствует в миллиметровом, оптическом или рентгеновском изображениях. В принципе, эти отклики на терагерцовых частотах характерны для каждой молекулы, как отпечатки пальцев для человека. Эта информация о конформационных переходах тесно связана с биологическими функциями молекул в тканях и клетках и трудно доступна другими методами [Бецкий, Козьмин, Яременко, 2008, с. 48-55; Smye, Chamberlain, 2001, р. 101-112].

В настоящее время выявлены лишь некоторые резонансные частоты биологических объектов из области терагерцового диапазона (таблица 1.2.).

Терагерцовые спектры частот, связанные с биологическими Мембраны нативных Соматическая клетка млекопитающих Хромосомы различной генной активности Дыхательная система 0,06...0,6 ТГц (гортань, трахеи, брон- 0,6...3 ТГц хиолы), альвеолы легких В терагерцовом диапазоне находятся резонансные частоты соматической клетки млекопитающих (2,39 ТГц) и хромосом различной генной активности (0,75±15 ТГц). Взаимодействия излучений на этих частотах с указанными биологическими структурами вызывают изменения в ДНК тимоцитов крыс линии Вистар, влияют на процесс скручивания ДНК в зависимости от направления круговой поляризации воздействующего поля [Рытик, 2006, 154 с.]. Расчет показывает, что резонансные частоты альвеол легких находятся в диапазоне 0,3±0,5 ТГц, а эритроцитов крови человека – 0,5 … 1 ТГц (для длин волн в свободном пространстве) [Рытик, 2006, 154 с.].

Говоря об особенностях терагерцового диапазона частот необходимо отметить, что именно в этом диапазоне находится значительная часть реликтового ЭМИ, открытого в середине 60-х годов прошлого века с помощью мощных радиотелескопов [Рытик, 2006, 154 с.]. Реликтовое излучение - это широкополосное шумовое излучение с максимумом вблизи =1 мм, что находится рядом с низкочастотным краем терагерцового излучения, а именно от 0,3 ТГц до 10 ТГц. Оно до настоящего времени не измерено, а его частотная характеристика рассчитана только теоретически [Григорьев, Мелихов, 1991, 1232 с.], поэтому исследования его воздействия на эволюционные процессы становления жизнедеятельности на Земле являются одной из актуальных задач науки [Григорьев, Мелихов, 1991, 1232 с.; Рытик, 2006, 154 с.].

Приоритет освоения терагерцового диапазона, безусловно, принадлежит советским и российским ученым. Так, еще в конце XIX в. известный русский физик П.Н. Лебедев (1901) впервые получил генерацию электромагнитных волн в 3 мм диапазоне и даже провел измерения коэффициентов двойного лучепреломления кристаллов серы для этих волн. Тогда же он указал, что волны с =3 мм... 0,1 мм соответствуют молекулярным колебаниям материи [Лебедев, 1901, доклад].

Наиболее распространенные когерентные генераторы в области миллиметрового диапазона – широкополосные ЛОВ (лампы обратной волны) с магнитной фокусировкой, созданные в СССР под руководством академика Н.Д. Девяткова и профессора М.Б. Голанта в шестидесятых годах XX в., долго были единственными в мире и перекрывали диапазон до 75 ГГц [Голант, 1985, с. 127-131]. При попытках продвинуться в более высокочастотный диапазон разработчики столкнулись с рядом трудностей, таких как возрастание омических потерь в связи с уменьшением толщины скин-слоя, проблемы с теплоотводом, увеличение плотности тока в электронных пучках и увеличение магнитных полей, требуемых для их фокусировки. Тем не менее, подобные ЛОВ были успешно разработаны, осуществлено их серийное производство и ими был перекрыт весь субмиллиметровый диапазон, вплоть до частоты 1,3 ТГц [Девятков, 1994, 160 с.; Бецкий, Козьмин, Яременко, 2008, с. 48-54]. В физическом масштабе это составляет больше половины всего терагерцового диапазона. Гораздо позже подобные лампы стали выпускать во Франции, однако они значительно уступают отечественным ЛОВ по диапазонам перестройки и генерации [Ирисова, 1968, с. 63-65].

субмиллиметрового диапазона явились достижения в разработке низкотемпературных приемников на базе кристаллов InSb [Выставкин, 1980, с. 164-191; Бецкий, Козьмин, Яременко, 2008, с. 48-54].

В 60-х гг. в Институте радиотехники и электроники АН УССР (г. Харьков) и в Институте радиотехники и электроники АН СССР (г. Фрязино), были разработаны квазиоптические тракты, также перекрывающие весь субмиллиметровый диапазон частот [Выставкин, 1980, с. 164-191; Бецкий, Козьмин, Яременко, 2008, с. 48-54].

Значительные успехи были достигнуты и по другим направлениям. Так, при разработке полупроводниковых приборов на основе кремния и арсенида галлия (лавинно-пролетные диоды, диоды Ганна и их разновидности) была достигнута предельная частота 0,8 ТГц. Позднее были разработаны лазерные источники на основе использования квантовых переходов в молекулах газов Н2О, СО2 и др. Большие значения мощности во всем терагерцовом диапазоне как в непрерывном, так и в импульсном режимах были получены при использовании новых принципов генерации – лазеры на свободных электронах, релятивистские генераторы различных типов, гиротроны и дифракционные генераторы – оротроны, синхротронное излучение электронных пучков, получаемых на ускорителях [Грачев, Захарьяш, Клементьев, 1999, с. 147-150;

Бецкий, Козьмин, Яременко, 2008, с. 48-54; Беспалов, Городецкий, Денисюк, 2008, с. 34-41; Федоров, Клементьев, Хамоян, 2009, с. 88-97].

В настоящее время область исследований биологических эффектов электромагнитных волн терагерцового диапазона занимает особое место в электромагнитобиологии [Бецкий, Козьмин, Яременко, 2008, с. 48-54].

Изучение действия ЭМИ ТГЧ на биологические объекты началось около 10 лет тому назад учеными ГБОУ ВПО Саратовского государственного медицинского университета им. В.И. Разумовского, ОАО «Центральный научно-исследовательский институт измерительной аппаратуры» (г. Саратов), Института радиотехники и электроники РАН им. В.А. Котельникова (г. Москва), Медико-технической ассоциации КВЧ (г. Москва). Выявлены особые свойства указанных волн, проявляющиеся при взаимодействии с оказывающими регулирующее влияние на различные функции организма [Биофизические эффекты …, 2003, с. 3-6; Механизм действия …, 2009, с. 47Благодаря интенсивной научно-исследовательской работе в области перспективное направление в СВЧ-физиотерапии, диагностике и экологии, которое можно назвать «терагерцовая терапия», «терагерцовая диагностика» и «терагерцовая экология» [Биофизические эффекты …, 2003, с. 3-6; Бецкий, Козьмин, Яременко, 2008, с. 48-54; Федоров, 2011, с. 17-27].

1.2. Классификация откликов биологических систем различного уровня организации на электромагнитное излучение биологические объекты произошел только 15 лет тому назад [Wu, Hewitt, Zhang, 1996, р. 1026-1028; Wu, Sun, Campbell, 1996, р. 3224-3226; The HITRAN molecular …, 2003, р. 5-44].

По мнению профессора О.В. Бецкого (2008) возник своего рода «терагерцовый бум» и широко распространилось мнение, что с этим направлением в XXI в. будут связаны многие открытия в фундаментальной многообещающих областей биофизики и новых технологий, будут созданы уникальные приборы с использованием терагерцовых изображений («Т-изображений») для самых разных отраслей – от медицины и химической идентификации молекул до пищевой промышленности и розничной торговли [Wu, Hewitt, Zhang, 1996, р. 1026-1028; Wu, Sun, Campbell, 1996, р. 3224-3226].

терагерцовых волн, пытаются удешевить их производство и внедрить эти устройства в промышленность. Этими соображениями и можно оправдать объединение субмиллиметрового и дальнего ИК-диапазонов в один и сдвиг уже существовавшего понятия – терагерцовые волны в новые частотные границы [Федоров, 2010, с. 25-35; Федоров, 2011, с. 17-27; Федоров, 2011, с. 5-17].

Однако прежде чем рассматривать эффекты влияния указанного диапазона частот на биологические объекты различного уровня организации, необходимо отметить следующее.

Входящие в терагерцовую область миллиметровое, субмиллиметровое и дальнее инфракрасное излучения оказывают различное влияние на живые системы. В частности, В.И. Федоровым (2001) показано, что облучение сходных биообъектов миллиметровыми и субмиллиметровыми источниками противоположным эффектам [Храпко, Реброва, Беляков, 1981, с. 317-336;

Сравнительное исследование …, 2001, с. 298-302; Федоров, Погодин, Беспалов, 2009, с. 50-58].

Особенностью электромагнитных волн терагерцового диапазона в плане воздействия на биообъекты является то, что здесь расположены собственные частоты колебательно-вращательных переходов воды и биологических молекул как простых, так и сложных, в том числе больших полимеров (полипептиды, белки, нуклеиновые кислоты) [Грибов, 2009, 544 с.; Nishizawa, Sakai, Hangyo, 2005, р. 203-270; Liu, Zhong, Karpovicz, 2007, р.1514-1527].

S. Nishizawa (2005), а также H.B. Liu (2007) указывают на нахождение в этом диапазоне мод вращательных переходов малых молекул, колебательных переходов групп атомов больших полимерных молекул и водородных связей [Nishizawa, Sakai, Hangyo, 2005, р. 203-270; Liu, Zhong, Karpovicz, 2007, р.1514Ещё одна специфическая черта этого диапазона – наличие собственных частот коллективных колебательных переходов, что вкупе с модами водородных связей обусловливает межмолекулярные взаимодействия [Ковалев, 2006, 78-81; Грибов, 2009, 544 с.; Nishizawa, Sakai, Hangyo, 2005, р. 203-270;

Liu, Zhong, Karpovicz, 2007, р.1514-1527]. От всех этих факторов зависит определённое конформационное состояние биомолекулы. Индицирование конформационных переходов влияет как на состояние и биологическую активность молекул, так и на выраженность межмолекулярных взаимодействий [Грибов, 2009, 544 с.; Попова, 2009, с. 79-98].

В.И. Федоров (2011) указывает, что одним из принципиальных свойств указанного диапазона для биосистем является мощное поглощение излучения водой. Причем интенсивность поглощения в субмиллиметровом диапазоне более чем на порядок выше, чем в миллиметровом [Сравнительное исследование …, 2001, с. 298-302; Федоров, 2011, с. 5-17]. В любой биомолекуле локализовано значительное количество молекул воды. Она находится как в связанном состоянии в структуре биомолекулы, так и в свободном состоянии внутри и на её поверхности [О возможной …, 1979, с. 513-518; Комплекс для исследования …, 2001, с. 78-81; Структурные перестройки …, 2003, с. 149-162]. Поглощённая водой энергия индуцирует конформационный переход. Кроме того, в субмиллиметровой области, согласно теоретическим расчётам и измерениям находятся собственные частоты колебаний органелл, цитоскелета и клеток в целом, что приводит к резонансным эффектам при совпадении с частотами внешнего электромагнитного поля [Структурные перестройки …, 2003, с. 149-162;

Молекулярные HITRAN-спектры …, 2007, с. 5-9; Kapralova, Pogodin, 2010, р. 82].

Таким образом, благодаря указанным научным фактам, четко демонстрируется несомненное существование биологических эффектов электромагнитного излучения терагерцового диапазона. Полученные экспериментальные данные позволяют сделать условную классификацию характера ответов живых систем различного уровня организации на указанное излучение [Федоров, 2010, с. 25-35; Федоров, 2011, с.17-27].

1.2.1. Эффекты влияния электромагнитных волн терагерцового диапазона на молекулярном уровне Рассмотрим характер ответов живых систем на молекулярном уровне при воздействии ЭМИ терагерцового диапазона.

Реакция биополимеров (ДНК, белки) на электромагнитное облучение терагерцового диапазона на частотах 1,15 ТГц и 3,68 ТГц выражается в изменении конформационного состояния молекул. Показано, что облучение вызывает изменение соотношения положительной и отрицательной частей в спектрах кругового дихроизма ДНК и белка альбумина. Для альбумина это означает изменение соотношения доли спирализованной и складчатой структур [Влияние лазерного …, 2009, с. 565-568; Влияние импульсного …, 2009, с. 50Черкасова, Федоров, Немова, 2009, с. 565-568; Terahertz radiation …, 2007, р. 672721-1-6727212-5; The effects of THz …, 2009, p. 442-445].

Кроме того, методом ультрафиолетовой спектроскопии показано изменение оптической плотности молекул ДНК и альбуминов после терагерцового облучения, а также видоизменение интенсивности индуцированной флуоресценции облученного альбумина [Влияние лазерного …, 2009, с. 565-568; Влияние импульсного …, 2009, с. 50-58]. Характерно, что плотность меняется в областях поглощения нуклеотидных и пептидных связей, а у альбумина, кроме того, в областях поглощения дисульфидных связей и ароматических аминокислот. Все эти области очень чувствительны к изменению конформации молекул ДНК и белка [Влияние лазерного …, 2009, с. 565-568; Влияние импульсного …, 2009, с. 50-58].

Другим способом подтверждения того, что излучение субмиллиметровой части терагерцового диапазона индуцирует конформационные переходы в молекуле биополимера является оценка связывающей способности альбумина.

Альбумины – транспортный белок, способный к обратимому связыванию и транспорту с током крови различных веществ. Степень связывания задаётся определённым конформационным состоянием [Комарова, Грызунов, 1998, с. 28-51].

Это положение подтвердилось при исследовании О.П. Черкасовой (2009) влияния непрерывного терагерцового облучения (3,68 ТГц) на связывание альбумина с нативным лигандом – гормоном прогестероном, которое происходит за счет гидрофобных взаимодействий с остатками триптофана, тирозина, аргинина и лизина в одном из связывающих центров. Связывающую способность альбумина оценивали по степени тушения его флуоресценции по мере нарастания концентрации добавляемого прогестерона. У облученного альбумина степень тушения флуоресценции более выражена [Влияние лазерного …, 2009, с. 565-568; Погодин, Капралова, 2011, с. 18-26].

В.М. Говоруном и В.Е. Третьяковым (1991) при воздействии волнами терагерцового диапазона также показано изменение связывающей способности альбумина и, кроме того, специфической энзиматической активности ферментов, а также прочности связи простетической группы с глобулой в молекуле гемоглобина [Far infrared radiation …, 1991, р. 1469-1474]. Всё это также является отражением конформационных изменений соответствующих молекул [Федоров, Немова, Дульцева, 2011, с. 42-44; Far infrared radiation …, 1991, р. 1469-1474].

Ещё одно подтверждение влияния излучения субмиллиметровой части терагерцового диапазона на конформацию белка получено методом спектрофлюориметрии. Облучение альбумина на частоте 3,68 ТГц приводит к увеличению интенсивности собственной флуоресценции, которая на 90 % обусловлена остатками триптофана в структуре молекулы альбумина. Это свидетельствует об изменении конформации молекулы, поскольку параметры флуоресценции триптофана сильно зависят от состояния соседних с ним групп в молекуле белка [Федоров, 2010, с. 25-35; Федоров, 2011, с. 17-27; Far infrared radiation …, 1991, р. 1469-1474].

Таким образом, различными методами доказано положение о том, что излучение субмиллиметровой части терагерцового диапазона индуцирует конформационные переходы в молекулах биополимеров. Степень выраженности обнаруженных изменений пропорциональна экспозиции и мощности излучения. Другими словами, отклик молекулярной системы на электромагнитное излучение субмиллиметровой части терагерцового диапазона дозозависим [Федоров, 2011, с. 17-27].

международным участием «Миллиметровые волны в медицине и биологии»

(2009 г.), профессор заведующий лабораторией биофизики (Институт лазерной физики СО РАН) Федоров В.И. высказал мнение о том, что изменения, индуцируемые терагерцовым излучением на молекулярном и межмолекулярном уровнях, будут порождать различные внутриклеточные и межклеточные реакции, которые, в конечном счёте, будут интегрироваться в каскад биохимических и физиологических откликов на уровне целого организма. Это предположение не лишено основания, поскольку отклики на излучение субмиллиметровой части терагерцового диапазона имеют чётко выраженное проявление как на клеточном, так и на организменном уровнях [Федоров, 2010, с. 25-35; Федоров, 2011, с. 17-27].

1.2.2. Характер откликов биологических систем на клеточном уровне при воздействии электромагнитным Реакция изолированных клеток на излучение субмиллиметровой части терагерцового диапазона на различных частотах проявляется на мембранном и ядерном уровнях [Субмиллиметровый лазер …, 2009, с. 88-97].

стабильность клеточной мембраны [Investigation of possiility …, 2007, р. 673041-673047]. В опытах на эритроцитах человека показано, что излучение [Субмиллиметровый лазер …, 2009, с. 88-97]. Реакция мембраны на облучение не удивительна, поскольку её проницаемость обусловливается определённым конформационным состоянием транспортных и канальных белков, которое изменяется при облучении [Субмиллиметровый лазер …, 2009, с. 88-97;

Investigation of possiility …, 2007, р. 673041-673047].

A. Ramundo-Orlando (2007)обнаружил, что терагерцовое облучение вызывает изменение проницаемости липидного бислоя, что обнаружено в опытах на липосомах [Permeability changes …, 2007, р. 587-598].

A.S. Ratushnyak, T.A. Zapara (2000) также продемонстрировано влияние излучения субмиллиметровой части терагерцового диапазона на клеточную мембрану в эксперименте на изолированных нейронах надглоточного ганглия прудовика Lymnea slagnalis. Выявлено, что излучение на частоте 3,68 ТГц вызывает изменение структуры соматической мембраны, аксонов и конуса роста. Эффект оказался отсроченным и проявился через 40-50 часов после облучения. В этот период происходило перераспределение пигментных гранул– мембраноцитокортикальный слой становился гетерогенным, наблюдалось образование аномальных отросткоподобных структур, имеющих произвольную направленность, и прекращение роста корешка аксона [Influence of …, 2000, р. 177].

Отклики на уровне клеточного ядра проявляются в изменении частоты [Субмиллиметровый лазер …, 2009, с. 88-97]. В опытах на лимфоцитах человека показано, что облучение усиливает спонтанные и индуцированные митозы [Субмиллиметровый лазер …, 2009, с. 88-97]. Другими авторами в опытах на двух различных типах культур клеток млекопитающих установлено угнетение синтеза ДНК [Free electron …, 1990, р. 2810-2812].

Как указывают В.И. Федоров, А.Г. Хамоян (2009) функциональное состояние клеток определяется не только внутриклеточными процессами, но задаётся и различными внеклеточными регуляторами. Ими обнаружено, что на отклик эукариотических клеток на субмиллиметровое облучение терагерцового диапазона оказывает влияние межклеточные взаимоотношения. Это продемонстрировано в опытах с совместным или раздельным облучением клеток разных типов, функционально связанных между собой, в данном случае лимфоцитов и моноцитов. Показано, что присутствие облученных моноцитов существенно влияет на выраженность индуцированной митотической активности облучённых лимфоцитов. Следовательно, облучённые моноциты выделяют такие цитокины, которые изменяют чувствительность лимфоцитов к субмиллиметровому излучению. Более того, облученные моноциты стимулируют деление даже необлученных лимфоцитов [Субмиллиметровый лазер …, 2009, с. 88-97; Investigation of possiility …, 2007, р. 673041-673047].

Эти результаты позволяют сделать предположение о том, что облученные моноциты либо выделяют цитокины, стимулирующие деление лимфоцитов, либо цитокины, повышающие чувствительность лимфоцитов к стимулятору митозов, либо облучение меняет активность или аффинность рецепторов восприятия лимфоцитами моноцитарных цитокинов. Обнаруженные эффекты излучения субмиллиметровой части терагерцового диапазона на клеточном уровне, как отмечено выше, имеют не прямой характер, а являются отражением молекулярных и межмолекулярных взаимодействий, развитие которых индуцировано излучением [Субмиллиметровый лазер …, 2009, с. 88-97;

Investigation of possiility …, 2007, р. 673041-673047].

A.S. Рogodin, V.I. Fedorov (1998) установили ещё одну закономерность, проявляющуюся на клеточном уровне: покровные и опорные клетки не реагируют на субмиллиметровое излучение терагерцового диапазона. Это показано указанными учеными в опытах на фибробластах хомячка и человека, а также другими исследователями на кератиноцитах человека [Рogodin, Fedorov, 1998, р. 1-14; Clothier, Bourne, 2003, р. 179-185]. В обоих экспериментах клеточная активность не изменялась после облучения. Такое отсутствие чувствительности имеет функцию экранировки организма от излучения субмиллиметровой части терагерцового диапазона [Рogodin, Fedorov, 1998, р. 1Clothier, Bourne, 2003, р. 179-185].

A.S. Рogodin (1998) обнаружил, что на субмиллиметровое излучение терагерцового диапазона не реагируют опухолевые клетки. На культуре клеток гепатомы крысы было показано отсутствие реакции клеток на облучение.

Возможно, что это проявление ещё одной закономерности: потери чувствительности клеток к субмиллиметровому излучению в процессе малигнизации, приводящей к неуправляемому росту клеток [Rogodin, Fedorov, 1998, р. 1-14].

Представление о форменных элементах крови, как первичной мишени терагерцового излучения в организме, обусловливает особый интерес исследователей к изучению механизмов реакции эритроцитов и тромбоцитов человека на ЭМИ терагерцового диапазона [Информационные взаимодействия …, 2001, с. 1042-1050; Тромбоциты в реакциях …, 2002, 190 с.

Микроциркуляция и электромагнитное …, 2006, 391 с.; Помошникова, 2006, 23 с.; Иванов, 2007, 23 с.].

В настоящее время общепринятой концепцией является наличие в организме двух способов регуляции функций: нервного и гуморального. Клетки крови, в частности эритроциты и тромбоциты, не имеют прямой иннервации, поэтому основным механизмом регуляции их функций является гуморальный [Grignani, Pacchiarini, 1992, p. 138-146; Monitoring of …, 1995, р. 487-496; Stolz, Donner, 1999, p. 41-49; Reed, Fitzgerald, Polgar, 2000, p. 3334-3342; Butenas, Mann, 2002, p. 3-12]. Однако известно, что в процессе жизнедеятельности клетки вырабатывают электромагнитные колебания весьма широкого диапазона [Роль электромагнитных …, 2000, с. 483-490; Antibody responses …, 1991, р. 47-56; Quantitative evaluation …, 1995, р. 1959-1965], и преимущественно узкий миллиметровый и субмиллиметровый диапазоны используются ими для обмена информацией, необходимой для регуляции внутриклеточных и межклеточных взаимодействий [Kinetic model …, 1999, р.

339-349; Erikssen, Liestol, Bjornholt, 2000, р. 538-546; McEver, 2001, р. 746-756;

Heemskerk, 2002, р. 186-193]. Это позволяет выделить еще один из основных механизмов физиологической регуляции функций в организме – регуляцию посредством электромагнитных колебаний. В пользу этого свидетельствует факт проявления ряда эффектов как отдельных клеток, так и организма в целом субмиллиметровом диапазонах частот [Микроциркуляция и электромагнитное …, 2006, 391 с.].

Эритроциты, обусловливающие вязкостные свойства крови, обладают выраженной чувствительностью к воздействию ТГЧ-облучения в условиях in vitro.

В работе Н.В. Мамонтовой (2006) был установлен факт нормализации нарушенных вязкостных свойств цельной крови, агрегационной способности и деформируемости эритроцитов больных нестабильной стенокардией, находящихся в естественном электромагнитном поле, под влиянием ЭМИ ТГЧ на частоте 240 ГГц. Также показано статистически достоверное восстановление нарушенных вязкостных свойств цельной крови, агрегации и деформируемости эритроцитов больных нестабильной стенокардией, находящихся в скрещенных магнитном и электрическом полях, под влиянием ЭМИ ТГЧ-диапазона на частоте оксида азота 240 ГГц, наиболее эффективное при 15-минутном режиме облучения [К вопросу …, 2005, с. 3-10; Влияние терагерцовых …, 2005, с. 34Показано также, что облученный ЭМИ ТГЧ на частоте оксида азота ГГц донатор оксида азота – изокет оказывает более выраженный эффект в восстановлении измененных вязкостных свойств цельной крови, агрегационной способности и деформируемости эритроцитов больных нестабильной стенокардией, чем не облученный, что может быть использовано для восстановления нарушенных функциональных свойств эритроцитов и реологических показателей крови больных ИБС в клинической практике [Мамонтова, Андронов, 2005, с. 72].

О.И. Помошниковой (2006) установлено, что ТГЧ - облучение на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц частично или полностью нормализует микроциркуляции за счет восстановления количественного и качественного состава эритроцитов в зависимости от режима и времени облучения.

15-минутный режим облучения является, по данным автора, наиболее эффективным в восстановлении нарушенного качественного и количественного состава эритроцитов. Ежедневное предварительное ТГЧ-облучение в течение 30 минут животных, находящихся в состоянии хронического стресса, восстанавливает среднюю концентрацию гемоглобина в эритроците, а также средний диаметр и агрегационную способность эритроцитов [ЭМИ КВЧ на частоте …, 2004, с. 130; Помошникова, 2006, 23 с.].

Авторами проведен сравнительный анализ влияния непрерывного и дробного режимов ТГЧ-облучения на частотах МСИП оксида азота 150,176ГГц на нарушенный качественный и количественный состав эритроцитов крови белых крыс обоего пола, находящихся в состоянии острого иммобилизационного стресса, который показал, что дробные режимы в течение 5 и 30 минут более эффективны, нежели непрерывные в тех же временных диапазонах [Влияние электромагнитного …, 2004, с. 21-27; ЭМИ КВЧ на частоте …, 2004, с. 130]. Результаты исследования О.Н. Антиповой (2009) свидетельствуют о том, что воздействие ТГЧ-излучения на частотах МСИП оксида азота 150,176-150,664 ГГц в течение 15 и 30 минут на животных, находящихся в состоянии острого иммобилизационного стресса, вызывает полное восстановление вязкости цельной крови при различных скоростях сдвига, способности эритроцитов к агрегации и деформируемости. Анализ результатов исследования реологических свойств крови у животных, находящихся в состоянии длительного стресса, показал частичное восстановление вязкостных свойств крови при малых и больших скоростях сдвига, способности эритроцитов к агрегации и снижение их деформируемости [Восстановление реологических …, 2004, с.1121-1128; Киричук, Антипова, Иванов, 2008, с. 23-25; Антипова, 2009, 48 с.; Сравнительная эффективность …, 2009, с. 55-62].

С.В. Свистуновым (2011) обнаружено, что электромагнитное излучение терагерцового диапазона на частотах МСИП оксида азота 150,176-150,664 ГГц способно уменьшать содержание -D-галактозы в углеводном компоненте и снижать повышенную функциональную активность гликопротеидных рецепторов эритроцитов у белых крыс. Выявлена зависимость эффективности влияния электромагнитного излучения терагерцового диапазона на частотах молекулярного спектра оксида азота 150,176 – 150,664 ГГц на нарушения гликопротеидных рецепторов эритроцитов у белых крыс, находящихся в состоянии острого иммобилизационного стресса, от пола животного и фазы эстрального цикла у самок. Так, у крыс-самцов и у крыс-самок в фазе диэструс эстрального цикла 30 минутная экспозиция электромагнитных волн указанной частоты вызывает полную нормализацию состава углеводного компонента и активности гликопротеидных рецепторов эритроцитов. Воздействие терагерцовых волн на частотах молекулярного спектра излучения и поглощения оксида азота 150,176-150,664 ГГц на крыс-самок в фазе эструс эстрального цикла, находящихся в состоянии острого иммобилизационного стресса, вызывает уменьшение содержания -D-галактозы в углеводном компоненте гликопртотеидных рецепторов тромбоцитов и эритроцитов ниже уровня контроля, что приводит к угнетению их функциональной активности.

Чувствительность рецепторного аппарата эритроцитов и тромбоцитов крыссамок в фазе эструс эстрального цикла к ТГЧ-воздействию на указанных частотах выше, чем у крыс-самцов и крыс-самок в фазе диэструс эстрального цикла, находящихся в состоянии острого иммобилизационного стресса [Коррекция постстрессорных …, 2010, с. 511-516; Изменение активности …, 2011, с. 583-587; Половые различия …, 2011, с. 43-48].

В сложных процессах регуляции агрегатного состояния крови в норме, а также при патологическом тромбообразовании, важная роль принадлежит тромбоцитам, так как они являются первичными акцепторами регуляторных сигналов различной природы [Шитикова, 2000, 224 с.; Pietrasek, 1991, р. 346Naeh, Maersdal, 1993, р. 299-307; Wu, 1994, р. 991-992; Muller-Berghaus, Cate, Levi, 1999, р. 706-712; Mann, 1999, р. 165-174; Massberg, Sausbier, Hofmann, 1999, р. 1255-1264; Walsh, 2001, р. 75-82; Schwarz, Walter, Eigenthaler, 2001, р. 15-28; Jayachandran, Owen, Miller, 2003, р. 1679-1685].

А.П. Креницкий, А.В. Майбородин и В.Д. Тупикин в условиях эксперимента in vitro [Электродинамическая модель …, 2004, с. 35-45] показали нормализацию функциональной активности тромбоцитов больных нестабильной стенокардией при воздействии ЭМИ ТГЧ на частоте оксида азота 240 ГГц. Так, при облучении обогащенной тромбоцитами плазмы больных нестабильной стенокардией в условиях in vitro на частоте оксида азота 240 ГГц в течение 15 минут наблюдалось значительное снижение агрегационной активности кровяных пластинок, что сопровождалось статистически достоверным уменьшением максимального размера образующихся тромбоцитарных агрегатов, максимальной скорости образования наибольших тромбоцитарных агрегатов, максимальной степени агрегации. Аналогичные сдвиги произошли в агрегационной активности тромбоцитов больных нестабильной стенокардией при облучении обогащенной тромбоцитами плазмы в течение 30 минут. Однако, эти изменения, как правило, были выражены в меньшей степени, чем при 15 минутном облучении.

При облучении ЭМИ ТГЧ на частоте молекулярного спектра излучения и поглощения оксида азота 400 ГГц обогащенной тромбоцитами плазмы больных нестабильной стенокардией в условиях эксперимента in vitro Е.В. Андронов [Андронов, 2006, c. 22-27] также показал значительное снижение агрегационной способности кровяных пластинок, что сопровождалось статистически достоверным уменьшением максимального размера образующихся тромбоцитарных агрегатов, максимальной скорости образования наибольших тромбоцитарных агрегатов, максимальной степени и скорости агрегации [Андронов, 2006, c. 22-27; Андронов, 2008, с. 14-16].

При сравнении эффективности воздействия терагерцовых волн частотой 240 и 400 ГГц на агрегационную активность тромбоцитов больных нестабильной стенокардией были получены следующие данные. Облучение в течение 15 мин на частоте 240 ГГц приводило к снижению всех показателей агрегации тромбоцитов. Причем, необходимо отметить, что не только не происходило восстановление функциональной активности тромбоцитов до уровня практически здоровых людей, а напротив, произошло значительное падение их агрегационной способности практически по всем показателям по сравнению с группой контроля. В то же время данные, полученные при облучении обогащенной тромбоцитами плазмы крови на частоте 400 ГГц были более приближены к показателям агрегации кровяных пластинок относительно здоровых доноров из группы контроля. Следовательно, облучение в условиях in vitro крови больных нестабильной стенокардией на частоте МСИП оксида азота 400 ГГц является более физиологичным для восстановления нарушенной агрегационной способности кровяных пластинок по сравнению с частотой 240 ГГц [Терагерцовое излучение …, 2006, с. 4-8; Влияние ЭМИ ТГЧ …, 2006, с. 64-73; Андронов, 2006, c. 22-27; Андронов, 2008, 50 с.].

А.Н. Ивановым (2006, 2007) установлено, что в условиях эксперимента in vivo воздействие ТГЧ-излучения на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц в течение 5 и 15 минут на животных, находящихся в состоянии острого иммобилизационного стресса, вызывает частичное восстановление функциональной активности тромбоцитов, что проявляется в уменьшении максимального размера тромбоцитарных агрегатов, максимальной скорости образования наибольших тромбоцитарных агрегатов, максимальной степени агрегации и максимальной скорости агрегации. При 30 минутном облучении животных ЭМИ ТГЧ на частотах оксида азота 150,176-150,664 ГГц, находящихся в состоянии острого иммобилизационного стресса, наблюдается полное восстановление функций тромбоцитов [Иванов, 2006, с. 51-57; Иванов, Каравайкин, 2007, с. 135-136]. При сравнении предшествующего и последующего воздействия на животных, находящихся в состоянии иммобилизационного стресса, ТГЧ-волнами на частотах оксида азота 150,176ГГц наблюдается различная степень восстановления функций тромбоцитов. Предварительное ТГЧ-воздействие в непрерывном режиме более эффективно предупреждает постстрессовые нарушения в функциональной активности тромбоцитов у стрессированных крыс-самцов по сравнению с облученными животными на фоне развившегося острого иммобилизационного стресса [Профилактика и коррекция..., 2008, с. 54-63].

эффективности электромагнитного воздействия от ряда факторов, в частности, от выбора режима облучения [Семенова, 1994, 25с.]. В ряде экспериментальных и клинических исследований показано, что дробные режимы КВЧ-облучения обладают большей эффективностью по сравнению с соответствующими непрерывными режимами [Семенова, 1994, 25 с.; Чуян, Темурьянц, Москвичук, 2003, 448 с.]. Сравнительный анализ показал, что при дробном и непрерывном воздействии на животных, находящихся в состоянии иммобилизационного стресса ТГЧ-волнами на частотах МСИП оксида азота, также наблюдается различная степень восстановления агрегационной функции тромбоцитов: более эффективным является дробный режим облучения. Его высокая эффективность, по-видимому, связана с тем, что для нормального функционирования клеток данный режим является оптимальным, при этом кратковременных воздействий вполне достаточно для активации восстановительных процессов [Чуян, Темурьянц, Москвичук, 2003, 448 с.; Иванов, 2006, с. 51-57; Иванов, Каравайкин, 2007, с. 135-136; Чуян, Раваева, Трибрат, 2008, с. 82-90].

С.В. Суховой (2008) изучено влияние ЭМИ на частоте атмосферного кислорода 129,0 ГГц на функциональную активность тромбоцитов белых крыс в состоянии иммобилизационного стресса. Показано, что под воздействием ТГЧ-облучения 129,0 ГГц в течение 5 минут происходит нормализация нарушенной функциональной активности тромбоцитов белых крыс-самцов на фоне иммобилизационного стресса [Микроциркуляторные изменения …, 2007, с. 107; Влияние ЭМИ ТГЧ на …, 2008, с. 40-48]. Авторы считают, что посредниками действия ЭМИ ТГЧ в клетках и биологических жидкостях являются активные формы кислорода (АФК), которые предположительно образуются ферментативно за счет изменения гидратации белковых молекул и повышения активности циклооксигеназы, ксантиноксидазы [Поцелуева, Пустовидко, Евтодиенко, 1998, с. 415-418]. АФК, в свою очередь, за счет Са2+ стимулируют растворимую гуанилатциклазу, что приводит к накоплению цГМФ в клетках эндотелия сосудов и повышению активности NO-синтазы, что увеличивает продукцию NO [Cooke, 1998, р. 379-382]. Это может быть одним из механизмов осуществления как антистрессорного, так и антиагрегационного эффектов ТГЧ-волн на частоте МСИП атмосферного кислорода 129,0 ГГц [Эффекты воздействия …, 2007, с. 141-142].

Особый интерес вызывают исследования, проведённые различными авторами на одноклеточных организмах [Федоров, 2010, с. 25-35]. Они показали, что отклики микроорганизмов на субмиллиметровое излучение терагерцового диапазона в целом аналогичны откликам эукариотических клеток [Федоров, 2011, с. 17-27].

Н.П. Залюбовская (1970) в опытах на культуре дизентерийной палочки Shigella sonnei показала отклик на ядерном уровне: увеличение размеров ядра и числа органелл, а также появление многоядерных клеток в ответ на субмиллиметровое излучение [Залюбовская, 1970, 15 с.].

Отклик микроорганизмов на облучение электромагнитными волнами терагерцового диапазона на ядерном уровне выражается также в изменении проявления фенотипических признаков.

В лаборатории В.И. Федорова (2010) совместно с Институтом систематики и экологии животных СО РАН в экспериментах на колониях бактерий Bacillus thuringiensis показано изменение численного соотношения различных форм колоний (увеличение доли ветвистых и соответственное уменьшение доли ровных колоний), уменьшение роста и размеров одной из субпопуляций в пределах отдельной колонии [Федоров, 2010, с. 25-35].

В исследованиях Г.М. Шуба (2004) выявлено влияние ЭМИ ТГЧ 150,176ГГц на все стороны жизнедеятельности микроорганизмов при экспериментальной стафилококковой инфекции – морфологию, культуральные, физиологические, физические свойства и биохимический состав. Так, наблюдалось статистически значимое ингибирование деления и роста клеток стафилококка (штамм 209Р) на желточно-солевом агаре в культуре, полученной от мышей опытной группы, получавших со вторых суток после заражения экспериментальной стафилококковой инфекцией ЭМИ ТГЧ 150,176-150, ГГц ежедневно 10 дней в течение 3 минут [Применение электромагнитного …, 2004, с. 62-64].

В исследованиях Н.В. Островского (2004) также показано влияние указанного вида излучения на жизнедеятельность микроорганизмов. Так, в ходе бактериологического исследования ожогового отделяемого микробная обсемененность раны составляла КОЕ/мл, выявлена ассоциация гемолитического штамма S.aureus и не гемолитического штамма S. еpidermidis.

После 2-3 сеансов ЭМИ ТГЧ на частотах 150,176-150,664 ГГц сеансов в течение 15 минут микробная обсемененность раны S.aureus снизилась в раз, S. еpidermidis – в 100 раз, то есть наблюдалось статистически значимое ингибирование деления и роста клеток стафилококка [Комплексное лечение …, 2004, с. 55-61].

Таким образом, различные типы клеток проявляют некоторые закономерные отклики на субмиллиметровое излучение терагерцового диапазона.

Возможные механизмы, которые обусловливают эти отклики, следующие:

1. Изменение конформации мембранных белков, запускающее внутриклеточный каскад «регуляторов» генетической и ферментативных систем, проницаемости клеточных мембран для различных веществ;

2. Изменение конформации мембранных белков, воспринимающих внешние регуляторные сигналы;

3. Изменение конформации мембранных белков, являющихся насосами или каналами транспорта различных веществ в клетку и из клетки;

4. Перераспределение электрического заряда на мембране клетки;

5. Возбуждение резонансных колебаний макромолекул, входящих в состав клеточной мембраны и цитоскелета в целом [Федоров, 2011, с. 17-27].

1.2.3. Особенности биологического действия электромагнитных волн на органном, системном и организменном уровнях В откликах многоклеточных организмов на электромагнитное излучение субмиллиметровой части терагерцового диапазона в целом проявляются те же закономерности, что и на клеточном уровне. Проведённые в лаборатории В.И. Федорова (2011) опыты на многоклеточных организмах показали, что облучение субмиллиметровой частью терагерцового диапазона влияет на процессы роста, развития, репарации генетической системы и на поведенческие реакции.

В эксперименте на семенах пшеницы элитного сорта, облученных на частоте 3,68 ТГц, было продемонстрировано укорочение в 2 раза по сравнению с контролем периода раннего прорастания семян, в том числе более раннее время наступления фазы наклёвывания зерновки [Федоров, Бахарев, 2010, с. 51Предположено, что это вызвано влиянием излучения на конформацию матричной РНК и белков клеток эндосперма, регулирующих поступление воды в зерновку после замачивания, что привело к повышению проницаемости клеточных мембран для воды [Федоров, Бахарев, 2010, с. 51-59]. У растений, выросших из облучённых семян элитного сорта, отмечено увеличение средней длины колоса и средней массы колоса, среднего количества зёрен в колосе и процентного содержания белка в зерне по сравнению с растениями, выросшими из необлученных семян [Федоров, Бахарев, 2010, с. 51-59].

В эксперименте с личинками дрозофил показано, что облучение терагерцовыми волнами на частоте 3,68 ТГц вызывает уменьшение числа спонтанных и индуцированных гамма-радиацией соматических мутаций клеток крыльев у взрослых дрозофил, развившихся из облучённых личинок, по сравнению с мушками, развившимися из необлученных личинок. При этом снижено как максимальное число мутаций на одно крыло, так и наиболее часто встречаемое число мутационных пятен на одном крыле [Сравнительное исследование …, 2001, с. 298-302]. Это означает, что излучение субмиллиметровой части терагерцового диапазона способствует развитию пострадиационных репаративных процессов в генетической системе дрозофил [Сравнительное исследование …, 2001, с. 298-302].

многоклеточных биосистем зависит от дозы облучения. Так, в опытах на чёрных бобах показано укорочение на несколько дней полного периода роста по сравнению с необлучённым контролем. Однако при увеличении дозы облучения полный период роста становится продолжительнее контрольного [Mi Zh, 1989, р. 631-636]. Такая же закономерность отмечена и у животных.

После облучения плантарной поверхности стопы белых крыс стимулируется реакция иммунной системы, однако, увеличение дозы приводит к угнетению этих реакций [О возможности применения …, 1994, с. 117-120]. Точно также при облучении взрослых форм или куколок дрозофил наблюдается повышение плодовитости в первом поколении [Рытик, 2006, 154 с.], однако, увеличение дозы воздействия приводит к стерильности [Mi Zh, 1989, р. 631-636].

Как и при облучении клеток, эффект облучения целого организма проявляется в зависимости от фазы биологического процесса. Показано, что при облучении электромагнитными волнами терагерцового диапазона плантарной поверхности стопы белых крыс с экспериментальным дефектом бедренной кости на стадии формирования костного регенерата наблюдается стимуляция репаративного процесса, ускорение остеогенеза и укорочение сроков минерализации костного регенерата. При облучении на стадии минерализации отмечено замедление репаративного процесса и задержка перестройки костного регенерата. При облучении на стадии сформированного регенерата влияние излучения на перестройку костного регенерата отсутствует [Влияние гипервысокочастотного …, 1993, с. 73-78].