БИОФИЗИКА, 2021, том 66, № 2, с. 302-311

БИОФИЗИКА КЛЕТКИ

УДК 577.352.26

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕМБРАН ЭРИТРОЦИТОВ

ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ПОЛИЕНОВЫМИ АНТИБИОТИКАМИ

В ПОЛЕ ДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

Институт ботаники Национальной академии наук Азербайджана,

AZ1004, Баку, Падамдартское шоссе, 40, Азербайджанская Республика

E-mail: sultanqul@mail.ru

Поступила в редакцию 28.06.2019 г.

После доработки 14.12.2020 г.

Принята к публикации 16.12.2020 г.

Исследован гемолиз эритроцитов, индуцированный ультразвуком и алкильными производными

амфотерицина В и леворина, модифицированных по аминной и карбоксильной группам. Разрабо-

тан кинетический метод изучения физико-химических характеристик клеток крови под действием

ультразвука в физиотерапевтическом режиме озвучивания. Показано, что взаимодействие ультра-

звуковых волн с биологическими системами основано на явлении кавитации. Изучено действие ал-

кильных производных амфотерицина В и леворина на физико-химические характеристики эритро-

цитов. Предполагается, что изменение механической стойкости эритроцитов под влиянием полие-

новых антибиотиков связано с нарушением микровязкости белково-липидной системы мембран

эритроцитов путем образования ионных каналов. Обнаружена корреляция действия полиеновых

антибиотиков на липидные и клеточные мембраны.

Ключевые слова: полиеновые антибиотики, эритроциты, стойкость клеток, гемолиз, ультразвук.

DOI: 10.31857/S0006302921020113

физиологических параметров организма. Анализ

В настоящее время ультразвуковые (УЗ) иссле-

литературных данных показывает, что эритроциты

дования относятся к категории наиболее инфор-

крови более чувствительны к действию физиче-

мативных и безопасных методов диагностики в

ских и химических факторов внешней среды, ха-

медицине. Использование УЗ-методов в практи-

рактеризующиеся изменением ряда физико-хи-

ческой медицине непосредственно связано с изу-

мических параметров мембран эритроцитов. В ка-

чением взаимодействия УЗ-волн с биологически-

честве экзогенных факторов действия на

ми структурами. Особый интерес представляют

эритроциты использовались энергия УЗ-волн и

исследования степени изменения функцио-

действие полиеновых антибиотиков (ПА).

нального состояния клеток в зависимости от

ПА являются единственными в природе со-

интенсивности, частоты и времени воздействия

единениями, эффективно взаимодействующими

ультразвука. Важно оценить вклад каждого из пе-

с клеточными и липидными мембранами, увели-

речисленных факторов на степень изменения

чивающими проницаемость мембран для ионов и

функционального состояния клеток. Повышение

органических соединений [3]. Основными пред-

интенсивности ультразвука выше 0.4 Вт/см2 при-

ставителями ПА являются амфотерицин В, ни-

водит к эффектам кавитации, вызывающим по-

статин, микогептин и леворин.На рис. 1 показа-

вреждение биологических структур по свободно-

ны структурные формулы наиболее активных из

радикальному механизму с образованием микро-

ПА - амфотерицина В и леворина.

потоков вокруг осциллирующих микропузырьков

[1, 2]. Однако до сих пор нет анализа воздействия

В основе биологического действия ПА лежит

формирование ими в липидных мембранах в ком-

физических параметров среды на поведение кле-

плексе с холестерином, эргостерином и другими

ток крови в поле УЗ-волн. Действие внешних фак-

стеринами структурных ионных каналов молеку-

торов на биологические объекты приводит к изме-

лярных размеров [2, 4]. Амфотерициновый канал

нению ряда морфологических, биохимических,

формируется молекулами стерина и антибиотика

Сокращения: УЗ - ультразвук, ПА - полиеновые антибио-

в стехиометрическом соотношении 1:1. Амфоте-

тики, УФ - ультрафиолет, ДМСО - диметилсульфоксид.

рицин В с холестерином формирует канал в сте-

302

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕМБРАН ЭРИТРОЦИТОВ

303

Рис. 1. Химическая структура амфотерицина В (а) и леворина (б).

хиометрическом соотношении 8 : 8. Для различ-

лиза [1, 9, 10]. В качестве объекта исследования

ных ПА значения стехиометрических коэффици-

были использованы эритроциты, выделенные из

ентов варьируют в пределах 3-17. Внутренний

венозной крови в норме. Эритроциты подвергали

диаметр амфотерицинового канала составляет 8-

воздействию УЗ в физиотерапевтическом режиме

10 Å. Антибиотик взаимодействует со стерином

озвучивания с использованием прибора УТ-5,

путем образования водородной связи между ни-

применяемого в физиотерапии. Эритроциты оса-

ми [3, 5-8].

ждали из 3 мл гепаринизированной или цитрат-

ной крови (0.5 мл цитрата + 2.5 мл цельной кро-

Мембраны эритроцитов являются удобным

ви) и двукратно отмывали от плазмы 0.9%-м рас-

объектом исследования механизма взаимодей-

твором NaCl (физиологическим раствором).

ствия полиенов с клеточными мембранами. Ис-

следование гемолитической активности эрит-

Центрифугирование проводили трижды при 6000

роцитов и их механической стойкости представ-

об/мин в течение 10 мин. Концентрация клеток в

ляет интерес для выяснения количественных

исследуемой суспензии составила 10⁶-10⁸кл/мл.

закономерностей их биологического действия.

Стойкость эритроцитов изучали в условиях не-

полиенов.

прерывного действия УЗ при частоте 0.88 мГц с

интенсивностями от 0.1 до 1.0 Вт/см² при темпе-

В настоящей работе исследуется действие ряда

ратуре 22°С [10]. В правую кювету фотоэлектри-

производных амфотерицина В и леворина, моди-

фицированных по аминной и карбоксильной

ческого колориметра помещают исследуемую

группам, на ультразвуковой и индуцированный

суспензию эритроцитов, а в левую вводится кон-

трольный раствор. Параметры, характеризующие

гемолиз эритроцитов. Исследования характера

действия ряда производных амфотерицина В и

механическую стойкость эритроцитов (время ге-

леворина на клетки эритроцитов могут дать ряд

молиза t_гем, время полуразрушения t₅₀, скорость ге-

важных рекомендаций для их практического ис-

молиза V_гем и эффективная константа скорости k),

пользования в медицине.

определялись непосредственно из эксперименталь-

ных кривых [1, 11]. В работе были исследованы ам-

фотерицин В и леворин, а также их алкильные про-

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

изводные и производные леворина - леворидон,

Для оценки состояния мембран при действии

изомерная форма леворидона - изолеворидон и

физических (УЗ) и химических (ПА) факторов на

карболеворин, которые были предоставлены

клетки разработан кинетический метод УЗ-гемо-

проф. В.М. Вайнштейном (Санкт-Петербургский

БИОФИЗИКА том 66

№ 2

2021

304

СУЛТАНОВА, КАСУМОВ

Рис. 2. УФ-спектры исходного амфотерицина В (а) и его алкильных производных: метильных (б), этильных (в) и

пропильных (г) в концентрации 3 ⋅ 10^-5 М в метаноле (1) и в воде (2). По оси абсцисс - частота оптического

поглощения (ν), по оси ординат - оптическая плотность (D).

государственный химико-фармацевтический уни-

терицин В и нистатин могут одновременно обра-

верситет Минздрава России). ПА готовили в виде

зовывать ряд транспортных систем, различаю-

растворов различной концентрации в димети-

щихся по своей молекулярной организации и ге-

сульфоксиде (ДМСО). Амфотерицин В и лево-

молитической активности. Уровень их участия в

рин, а также их производные растворяли в кон-

проницаемости мембран эритроцитов зависит от

центрации 1 мг в 1 мл ДМСО, а затем в соответ-

изменений структурной организации мембран и

ствующих концентрациях вводили в суспензию

химического состава инкубационной среды. По

эритроцитов.

своей химической природе ПА относятся к груп-

пе макролидных гептаеновых антибиотиков [3].

Благодаря наличию хромофорной цепочки в

РЕЗУЛЬТАТЫ

структуре молекул ПА они имеют типичный

Гемолитический эффект эритроцитов, индуци-

спектр в ультрафиолетовой области (УФ-спектр)

рованный ультразвуком. Изучена кинетика гемо-

с тремя основными максимумами поглощения

лиза эритроцитов человека, индуцированного

(рис. 2). Биологическая активность ПА зависит от

филипином, амфотерицином В и нистатином

среды, в которой растворяется антибиотик. Мак-

[10]. Гемолитическая активность филипина свя-

ролактонное кольцо амфотерицина В включает в

зана с увеличением проницаемости мембран для

себя полиеновый хромофор с семью сопряженны-

веществ с низкой молекулярной массой (KCl), а

ми двойными связями, что находит отражение в

также для макромолекул, включая гемоглобин, в

УФ-спектре амфотерицина В. Последний имеет

изотонической среде. Предполагается, что амфо-

три основных максимума поглощения при следу-

БИОФИЗИКА том 66

№ 2

2021

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕМБРАН ЭРИТРОЦИТОВ

305

Рис. 3. Зависимость биологических эффектов УЗ от интенсивности и времени озвучивания: (I₁ ≥ 5 Вт/см², I₂ - 5-1 Вт/см²,

I₄-I₆ - 1.0-0.4 Вт/см², I₇ - менее 0.1 Вт/см²).

ющих длинах волн: 358-360, 378-380 и 400-

В результате воздействия УЗ в среде возникают

403 нм. На рис. 2 показаны УФ-спектры поглоще-

градиенты колебательной скорости, обусловлен-

ния амфотерицина В и его алкильных производ-

ные акустическим течением. В воде при частоте

ных в растворе метанола и в водном растворе.

1 МГц и интенсивности 1 Вт/см² эти колебатель-

Наибольшая молекулярная дисперсность амфо-

ные напряжения достигают порядка 200 Н/м²

терицина В достигается в органическом раство-

[11]. Для изучения биоэффектов, создаваемых

рителе - метаноле (рис. 2, спектры 1) и в ДМСО.

сдвиговыми напряжениями, широко применяют

Вероятно, биодоступность антибиотика была бы

гемолиз красных кровяных телец в суспензии in

максимальной в таких растворителях. В водном

vitro [2, 12]. При близком расположении двух ча-

растворе антибиотики в такой же концентрации

стиц в УЗ-поле между ними возникает сила взаи-

образуют высокодисперсный коллоидный рас-

модействия, обусловленная воздействием на ко-

твор с характерными максимумами, но меньшей

леблющуюся частицу УЗ и пропорциональная

величиной оптической плотности (рис. 2, спек-

произведению объемов сфер и обратно пропор-

тры 2), что объясняет их несколько меньшую ак-

циональная расстоянию между ними [10, 12, 13].

тивность по сравнению с растворами в метаноле.

Если тромбоциты облучать УЗ в присутствии га-

Таким образом, в растворах ДМСО и метаноле

зовых пузырьков, то уже при малой интенсивно-

антибиотики находятся в молекулярной форме, и

в этой форме они обладают наиболее высокой

сти (32 мВт/см²) они собираются в сгустки около

биологической активностью [9]. В водных рас-

пузырьков. В случае с эритроцитами действие УЗ

творах полиены находятся в ассоциированной

с интенсивностью 20-30 мВт/см²приводит к вы-

форме и потому они менее активны [3].

свобождению АТФ [14].

Изучены кинетические характеристики дей-

Проведена аналогия в действии режимов УЗ-

ствия ПА на гемолиз эритроцитов и их устойчи-

озвучивания эритроцитов in vitro и сил, возника-

вость к действию ультразвука. Одним из харак-

ющих в различных участках кровяного русла in vi-

терных признаков кавитации является УЗ-свече-

vo. Известно, что в различных участках сосуди-

ние, которое наблюдается в водных растворах при

стого русла реологические характеристики крови

интенсивности 0.3-0.5 Вт/см2 и при частоте

неодинаковы. В связи с этим при анализе крово-

>0.88 МГц. В плазме крови порог УЗ-свечения

тока необходимо характеризовать реологические

показатели (вязкость цельной крови, вязкоэла-

достигается при 0.3 Вт/см² при частоте 1 МГц. На

стичность, деформируемость и агрегацию эрит-

рис. 3 показана зависимость биологических эф-

роцитов) как в крупных сосудах (d > 200 мкм), так

фектов УЗ от интенсивности и времени озвучива-

и в микрососудистом русле (d < 200 мкм). Кровь

ния. Видно, что существует четко выраженная

млекопитающих и человека, течение которых в

пороговая интенсивность УЗ-воздействия, при

превышении ее начинается лизис клеток.

сосудах описывается степенным законом y = axⁿ

БИОФИЗИКА том 66

№ 2

2021

306

СУЛТАНОВА, КАСУМОВ

Рис. 4. Типичные кривые течения цельной крови (а) и суспензии эритроцитов (б) (гематокрит 40%) в изотоническом

растворе NaCl при разных скоростях сдвига (как аналогов модели неньютоновской жидкости), описываемых степенным

законом: y = axⁿ [20].

и суспензия эритроцитов в плазме ведут себя по-

щие от скорости сдвига и вязкости внеклеточной

добно неньютоновским жидкостям (рис. 4) [15].

жидкости) и гематокрит. Повышение вязкости

суспензии при высоком гематокрите в основном

Вязкость плазмы цельной крови в полтора раза

выше, чем вязкость изотонического раствора

ведет к увеличению деформации эритроцитов.

(1.8-2.2 мПа·с > 1.10 мПа·с). В процессе непрерыв-

При определенной величине гематокрита наблю-

дается снижение деформации. Исследование на

ной циркуляции в кровеносных сосудах клетки

моделях разбавленных суспензий эритроцитов

крови выдерживают как интенсивные, так и пассив-

позволяет оценить деформируемость эритроци-

ные деформации, что обеспечивается деформируе-

мостью и стабильностью мембран [15]. В связи с

тов в кровотоке. Она повышалась вследствие раз-

этим необходимо отметить, что сопротивление

жижения потока при влиянии сдвиговых сил,

связанных с деформацией и ориентацией клеток

кровотоку в сосудистой системе связано, по-ви-

в потоке. С учетом вышеизложенного, предложе-

димому, со снижением вязкости суспензии эрит-

но условное моделирование действия сдвиговых

роцитов, с увеличением скорости сдвига, что сви-

детельствует о существенной роли деформации

сил на клетки крови в поле влияния УЗ поля на

эритроцитов в потоке и создании вязкого сопро-

суспензию эритроцитов. В капиллярах эритроци-

ты подвергаются наибольшему риску разруше-

тивления кровотоку в сосудистой системе без

ния, нежели в аорте и артериях. Предложена мо-

учета действия таких реологических факторов,

дель механического разрушения клеток в кровя-

как агрегация, гематокрит, вязкость суспензион-

ной среды. Таким образом, человеческая кровь ве-

ном русле в поле действия УЗ [1, 16]. При этом

дет себя подобно неньютоновской жидкости, ха-

реологические параметры клеток в различных ча-

стях кровяного русла коррелируют с данными по-

рактерным признаком которой является снижение

ведения эритроцитов при разных условиях озву-

вязкости с увеличением скорости или напряжения

чивания. Проведенный анализ позволяет предпо-

сдвига. Это, по-видимому, обусловлено двумя про-

цессами: формированием агрегатов эритроцитов

ложить, что между резистентностью клеток при

при низкой сдвиговой скорости, которые полно-

различных режимах УЗ-воздействия и их поведе-

нием в кровяном русле существует корреляция,

стью распадаются при скоростях сдвига порядка

которую можно представить как модель поведе-

80-120 с^-1и потоковой деформацией эритроцитов

ния эритроцитов в различных участках кровяного

вместе с их ориентацией вдоль линии потока при

русла.

средних и особенно высоких скоростях сдвига (вы-

Таким образом, можно сказать, что в основе

ше 50 с^-1). Эритроциты диаметром ~8 мкм при те-

механизмов морфологических и функциональ-

чении в микрососудах диаметром меньше размера

ных повреждений биологических клеток при фи-

самой клетки подвергаются большим напряжениям

зиотерапевтическом режиме озвучивания в УЗ-

сдвига. Деформируемость эритроцитов определяет

поле лежат механические факторы - ударные

продолжительность их жизни в кровотоке и зависит

волны, микропотоки и акустические течения.

от формы клетки, внутренней вязкости и механиче-

ских свойств мембран [15]. На деформацию ока-

Действие полиеновых антибиотиков на мембра-

зывают влияние также сдвиговые силы (завися-

ны эритроцитов. Изучены кинетические характе-

БИОФИЗИКА том 66

№ 2

2021

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕМБРАН ЭРИТРОЦИТОВ

307

Рис.

5. Сравнение гемолитических эффектов эквимолярных концентраций ПА. (а)

- Кинетические кривые

ультразвукового гемолиза эритроцитов в контроле и в присутствии эквимолярных концентраций ПА: I - контроль, II -

амфотерицин В, III - леворин, IV - бутамфоцин, V - изолеворидон (по оси абсцисс - время гемолиза, с; по оси ординат -

светопропускание, %). (б) -Зависимости времени гемолиза эритроцитов от концентрации ПА в суспензии эритроцитов.

ристики действия ПА на гемолиз эритроцитов и

ность эритроцитов. Результаты этих эксперимен-

их устойчивость к действию УЗ. Действие биоло-

тов представлены на рис. 6. На рис. 6 представле-

гически активных соединений на мембраны

ны сравнительные результаты процесса гемолиза

эритроцитов может привести к нарушению це-

в присутствии ряда ПА. В контрольных экспери-

лостности клеток, одним из проявлений которых

ментах было изучено действие ДМСО на эритро-

является гемолиз. Была изучена способность ПА ге-

циты. Концентрацию ДМСО изменяли от 0.1 до

молизировать эритроциты в изотонической среде.

10%, и в пределах указанных концентраций

Показано, что производные амфотерицина В - ме-

ДМСО существенно не влияет на процесс УЗ-ге-

тамфоцин, этамфоцин, карбоамфоцин и произ-

молиза.

водные леворина - леворидон, изолеворидон,

Из рис. 6 видно, что ПА по-разному влияют на

карболеворин - в суспензии эритроцитов облада-

гемолитическую устойчивость эритроцитов в по-

ют гемолитической активностью в изотониче-

ле действия УЗ волн. Одни антибиотики активи-

ской среде в концентрациях 10^-5-10^-4 М. Однако

руют, другие замедляют, а третьи стабилизируют

обработка эритроцитов чистым раствором ДМСО

механическое разрушение эритроцитов. Такого

в изотонической среде в концентрации 1%, про-

рода изменения механической прочности эрит-

памфоцином и бутамфоцином не приводит к ге-

роцитов под влиянием полиенов, по-видимому,

молизу. На рис. 5 представлены кинетические

могут быть связаны с нарушением микровязкости

кривые гемолиза эритроцитов, индуцированных

белково-липидной системы. В то же время неко-

эквимолярными концентрациями изученных ан-

торые из изученных препаратов препятствуют

тибиотиков. Кривые имеют S-образную форму с

восстановлению клеток после УЗ-воздействия

определенным периодом индукции 5-25 мин (ла-

[10,

14]. Получено, что при интенсивности

тентным периодом) и подчиняются закону Гом-

0.6 Вт/см²и частоте 0.88 мГц, УЗ на 60-100%

перца. Как видно из рис. 5, гемолитический эф-

увеличивает электропроводность бислойных ли-

фект ПА имеет концентрационный характер. Для

пидных мембран, а также их проницаемость по

характеристики гемолитической активности ис-

отношению к аниону тетрафенилбората; на 10%

следуемых антибиотиков выделяют три основные

ускоряет встраивание каналообразующего анти-

гемолитичесекие зоны: область стабилизации

биотика нистатина в матрицу фосфолипидных

при концентрациях антибиотика (>10^-6М), нор-

мембран, что, по-видимому, связано как с изме-

мальную составляющую (~10^-5 М) и участок ге-

нением механических свойств матрицы, так и на-

рушением в прилегающих к ней диффузионных

молиза (< 10^-4М) [10].

слоях. Предполагается, что ПА, внедряясь в ли-

При инкубации ПА с эритроцитами в поле

попротеидную область мембраны, способны вза-

действия УЗ также происходит изменение их ге-

имодействовать с гидрофобными участками мем-

молитической активности. Основные параметры

бран эритроцитов, формируя в них структурные

гемолиза определяют механическую резистент-

каналы, изменяя при этом ионную проницае-

БИОФИЗИКА том 66

№ 2

2021

308

СУЛТАНОВА, КАСУМОВ

Рис. 6. Действие ПА на процесс стабилизации мембран эритроцитов. По оси абсцисс - изученные препараты, по оси

ординат - степень стабилизации (в %) процесса гемолиза в изотонической среде под действием полиенов (10^-5 М).

мость мембран [3, 14, 17]. В пользу данного пред-

цитотоксических агентов препятствует поражен-

положения говорят результаты экспериментов,

ным клеткам восстанавливать повреждения, вы-

полученных при исследовании проницаемости

званные УЗ и наоборот. Полученные результаты

мембран эритроцитов для не электролитов [18].

важны при использовании УЗ в медицине для вы-

Ранее было показано, что ПА изменяют про-

явления оптимальных условий озвучивания. Так-

ницаемость бислойных липидных мембран для

же отмечено значительное увеличение эффектив-

ионов только в том случае, когда в мембранах со-

ности рентгеновского облучения в комбинации с

держатся стерины определенной структуры, в

УЗ [14]. Показано, что клетки, которые пережили

частности холестерин или эргостерин [3, 9, 19]. В

воздействие УЗ и остались неповрежденными,

мембранах эритроцитов содержится большое ко-

продолжают давать потомство точно так же, как и

личество холестерина, и благодаря этой особен-

их необлученные аналоги [17]. Исключение со-

ности клетки эритроцитов оказываются чувстви-

ставляли клетки, которые облучались УЗ при по-

тельными к действию ПА. Полученные результа-

вышенной температуре среды [20]. УЗ достаточно

ты подтверждаются ранее проведенными

высокой интенсивности может привести к дегра-

исследованиями механизма взаимодействия ПА с

дации ДНК в растворе, что обусловлено кавита-

бислойными липидными мембранами на молеку-

цией, действием гидродинамических сдвиговых

лярном уровне [3]. Биологическое действие по-

напряжений и образованием свободных радика-

лиенов может быть связано с изменением прони-

лов. УЗ может стимулировать рост дрожжевых

цаемости биологических мембран, содержащих

клеток и увеличивать скорость синтеза белка.

стерины определенной структуры для ионов и ор-

Большинство функциональных изменений в

ганических соединений [4, 6, 18]. Было показано,

клетках обусловлены взаимодействием УЗ с их

что по степени изменения проницаемости липид-

мембранами клеток. Например, УЗ может воз-

ных мембран ПА можно расположить в ряд с воз-

действовать на электрофоретическую подвиж-

растающей биологической эффективностью: фи-

ность клеток [12]. Эритроциты, в отличие от дру-

липин > амфотерицин > леворин > нистатин, что

гих форменных элементов крови, наименее чув-

согласуется с результатами УЗ-гемолиза (рис. 5)

ствительны к повреждающему действию УЗ.

[3, 8, 10, 19].

Считается, что гемолиз вызывается кавитацией

или высоким гидродинамическим напряжением

[13]. Есть, однако, некоторые признаки того, что

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

гемолиз может происходить при терапевтических

В последнее время в физиотерапии широко

интенсивностях в случае коллапсирующей кави-

используется совместное применение ультразву-

тации и в зонах турбулентных потоков. Показано,

ка, антибиотиков и химиотерапевтических аген-

что АТФ может высвобождаться при низких ин-

тов. При введении мышам с опухолевыми клетка-

тенсивностях УЗ, если эритроциты облучаются in

ми азотистого иприта продолжительность их

vitro в присутствии стабильных газовых полостей.

жизни увеличивалась. Возможно, присутствие

В используемом режиме озвучивания основные

БИОФИЗИКА том 66

№ 2

2021

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕМБРАН ЭРИТРОЦИТОВ

309

Рис. 7. Схема возникновения акустических течений.

повреждающие факторы - акустические микро-

связано с возникновением свободных радикалов,

течения и сдвиговые напряжения - не вызывают

локально высоких температур, микропотоков,

химических изменений в среде озвучивания. При

ударных волн и кавитационных пузырьков. Чис-

действии внешних факторов на эритроциты ме-

ло кавитационных пузырьков в 1 см³ жидкости

няются механические свойства их стромы. Эти

достигает 10⁷, радиус пузырька в момент захлопы-

параметры зависят от свойств самих эритроцитов

(возраст, форма, реология), от условий озвучива-

вания составляет ~10^-4-10^-5 см. Возникающие

при захлопывании ударные волны распространя-

ния, фактора воздействия и наличия патологии в

ются со сверхзвуковой скоростью [12, 21]. Эф-

организме. Определен наиболее оптимальный

(физиотерапевтический) режим воздействия УЗ,

фект УЗ в биологических средах также может

используемый в медицинской практике, не при-

быть обусловлен действием гидродинамического

водящий к негативным последствиям [1, 14].

течения растворителя, возникающего при рас-

пространении ударных волн [12]. В водных рас-

Известно, что акустическая энергия УЗ в био-

творах порог кавитации прямо пропорционален

логических средах имеет свойство поглощаться и

частоте УЗ и обратно пропорционален времени

рассеиваться [1, 10, 21]. С физической точкой зре-

воздействия. Порог кавитации заметно снижает-

ния поглощение акустической энергии обуслов-

ся при наличии микронеоднородностей, микро-

лено взаимодействием УЗ с биологическими тка-

организмов и молекул растворимого газа. В усло-

невыми структурами. Если в среде содержатся от-

виях кавитации относительно низкая средняя

носительно малые молекулы и среда текучая, то

плотность энергии УЗ-поля трансформируется в

энергия колебательных или вращательных дви-

высокую плотность энергии, локализованную в

жений, вызванных взаимодействием с акустиче-

непосредственной близости от захлопывающего

ской волной, не приводит к специфическим хи-

пузырька. В этой области в воде при интенсивно-

мическим или биологическим изменениям и

стях УЗ ~ 10 Вт/см² возникающее звуковое давле-

быстро превращается в тепло. В средах менее те-

кучих, содержащих высокомолекулярные соеди-

ние ~10⁶ дин/см² может приводить к разрыву хи-

нения, наблюдаются нетепловые специфические

мических связей. Кавитация может быть пред-

эффекты [2, 21]. Энергия, переносимая УЗ-по-

ставлена как явление, при котором в объеме

лем, затухает при прохождении ее через вязкую

озвучиваемой жидкости образуется новая поверх-

среду и определяется как:

ность, включающая в себя кипение и бурную де-

газацию при высоких интенсивностях УЗ [2, 21].

I(x) =I₀e-μx,

(1)

Существуют два типа активности пузырьков -

стабильная (стационарная) и коллапсирующая

где μ - коэффициент затухания по интенсивно-

(нестационарная) кавитация. Активность ста-

сти (закон Гомперца). Энергия, рассеянная из ос-

бильной кавитации связана с возникновением

новного пучка, может поглощаться в других ме-

акустических микропотоков и высоких сдвиго-

стах ткани. В поле действия УЗ-волн кинетика ге-

вых напряжений (рис. 7).

молиза эритроцитов подчиняется закону

Гомперца [1, 20]. В биологических экспериментах

Активность коллапсирующих или нестацио-

используются продольные акустические волны,

нарных полостей приводит к повышению темпе-

приводящие к кавитации. Кавитацией называет-

ратуры и давления, а также к возможному ис-

ся комплекс явлений, связанных с образованием

пользованию энергии УЗ для осуществления хи-

полостей в жидкости [2, 5], что, в свою очередь,

мических реакций

[2]. Некоторые авторы

БИОФИЗИКА том 66

№ 2

2021

310

СУЛТАНОВА, КАСУМОВ

предположили, что в акустическом поле газ по-

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

очередно диффундирует в пузырек во время фазы

Настоящая работа не содержит описания ис-

разряжения и из пузырька во время фазы сжатия

следований с использованием людей и животных

[12]. Анализируя различные механизмы гемолиза,

в качестве объектов.

можно сказать, что УЗ-гемолиз более динамич-

ный, чем осмотический, что, возможно, связано с

более энергичными характеристиками УЗ-поля.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Интенсивность УЗ, при которой возникает аку-

стическая кавитация в исследуемом образце, за-

1. G. H. Sultanova, V. Kh. Qasimova, T. F. Pashazade,

висит от чистоты, образца, его газосодержания,

and Kh. M. Kasumov, Rep. Nat. Acad. Sci of Azerbai-

предварительного воздействия на него УЗ, вязко-

jan LXXIV (2), 58 (2018).

сти, температуры, частоты УЗ и режима импульс-

2. C. R. Hill, J. C. Bamber, and G. R. Ter Haar, Physicl

ного воздействия, а также конфигурации УЗ поля

principlesof medical ultrasonics, 2^nd edit. (Willey, 2004).

в образце [2, 13]. Так, при действии УЗ (1 мГц,

3. Х. М. Касумов, Структура и мембранная функция

32 мВт/см²) на эритроциты человека происходит

полиеновых макролидных антибиотиков (Наука, М.,

высвобождение АТФ, что можно показать по све-

2009).

чению люциферин - люциферазного комплекса,

4. E. A. Romero, E. Valdivieso, and B. E. Cohen, J.

добавленного в суспензию. Порог этого явления

Membrane Biol. 230 (2), 69 (2009).

лежит в области 20-30 мВт/см². Эффект не на-

5. V. Beringue, K. T. Adjou, F. Lamoury, et al., Virology

блюдается в отсутствии пузырьков газа или при

74, 5432 (2000).

более низких интенсивностях УЗ [21].

6. K. C. Gray, D. S. Palacios, I. Dailey, et al., Proc. Natl.

Исследования проницаемости бислойных ли-

Acad. Sci. USA 109, 2234 (2012).

пидных мембран для ионов показали, что ПА по

7. B. Cybulska, J. Bolard, O. Seksek, et al., Biochim. Bio-

возрастающей эффективности своего действия

phys. Acta 1240, 167 (1995).

на клеточные и липидные мембраны располага-

8. J. Milhaud, J. V. Ponsinet, M. Takashi, and B. Michels,

ются в один и тот же ряд, что согласуется с резуль-

Biochim. Biophys. Acta 1558, 95 (2002).

татами УЗ-гемолиза эритроцитов. Это свидетель-

9. В. А. Вайнштейн, Л. Н. Николаевич, Г. Г. Султано-

ствует о корреляции между действием ПА на кле-

ва и др., Бюл. эксперим. биологии и медицины,

точные и липидные мембраны. Эта корреляция

166 (12) 695 (2018).

дает возможность использовать количественные

параметры УЗ-гемолиза эритроцитов для оценки

10. G. Sultanova, A. Samedova, V. Gasimova, et al., Syl-

биологической эффективности ПА в терапевти-

wan 161 (1), 161 (2017).

ческих целях и в качестве биологически активных

11. Г. Г. Султанова, А. А. Самедова и Х. М. Касумов,

фармакологических препаратов [6, 8].

Антибиотики, № 9-10, 9 (2007).

В заключение отметим, что весьма актуально

12. E. A. Brujan, T. Ikeda, and Y. Matsumoto, Phys. Med.

Biol. 50 (20), 4797 (2005).

создание новых видов противогрибковых препа-

ратов и изучение их действия в связи с тем, что

13. C. H. Farny, R. G. Holt, and R. A. Roy, IEEE Trans.

распространение инфекции ВИЧ сопутствует

Biomed. Engineer. 57, 175 (2010).

развитию грибковой инфекции. Полиеновые ан-

14. W. D. O′Brien, Progr. Biophys. Mol. Biol. 93 (1-3),

тибиотики обладают способностью подавлять

212 (2007).

грибковые инфекции, развитие гнойных инфек-

15. А. В. Муравьев, А. А. Ахапкина, П. В. Михайлов и

ций, рост опухолевых клеток, снимать стрессовое

А. А. Муравьев, Регионарное кровообращение и

состояние, и это указывает на необходимость ис-

микроциркуляция 13 (2), 64 (2014).

пользования ПА в биомедицинской практике.

16. B. C. Wilcock, M. M. Endo, B. E. Uno, and

M. D. Burke, J. Am. Chem. Soc. 135 (23), 8488 (2013).

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

17. C. Garcia-Chaumont, O. Seksek, B. Jolles, and J. Bo-

lard, Antisence Nucl. Acid Drug Dev. 10 (3), 177

Работа выполнена при финансовой поддержке

(2000).

Фонда развития науки при Президенте Азербай-

18. M. Arczewska, G. Czernel, and M. Gagoś, J. Phys.

джанской Республики (грант № EIF-BGM-3-

Chem. B 120 (43), 11191 (2016).

BRFTF-2+/2017-15/12).

19. А. Knopik-Skrocka and J. Bielawski, Cell Mol. Biol.

Lett. 7 (1), 31 (2002).

20. А Margulis and I. M. Margulis. J. Phys. Chem. 79 (6),

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

1142 (2005).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

21. G. Sultanova, J. Integrated OMIKS, Spec. Issue 9 (1),

интересов.

8 (2020).

БИОФИЗИКА том 66

№ 2

2021