Реферат: Исследование электрохимического механизма проницаемости плацентарных мембран по анионам антибиотиков в малоамплитудных физических полях

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость выполнен­ной работы.

В литературном обзоре (первая глава) проведен анализ состояния со­временных представлений о химическом составе, структуре, физико-химических и электрохимических свойствах биологических мембран и сделан вывод о применимости к описанию ионного переноса в надмембранных тканевых структурах организма модели «рыхлого квазикристалла» (первый раздел). Рассмотрены различные аспекты антибиотиковой физиотерапии в современной урологии, стоматологии и офтальмологии (второй раздел). Обоснована применимость к проблемам многопараметрической оптимизации физиотерапевтической аппаратуры комплексного индекса оптимизации (КИО), как многомерной функции входных параметров (третий раздел).

Во второй главе (теоретические исследования) сформулированы мате­матические уравнения ионного переноса в тканях организма в рамках модели «рыхлого квазикристалла» под действием собственной электрической асим­метрии межфазных границ с физиологическими жидкостями (первый раздел) и при дополнительном ускоряющем влиянии электрических (второй раздел), магнитных (третий раздел), СВЧ- (четвертый раздел), лазерных (пятый раз­дел) электромагнитных и ультразвуковых (шестой раздел) малоамплитудных физических полей.

Выяснено, что собственный перенос ионов в тканевых мембранах под­чиняется уравнению:

С_х =(С₀ -С,)-е-е^± ,

где С₀ - исходная входная и С - текущая выходная концентрация переносимого иона, X- толщина мембраны, D- коэффициент транскорпоральной диффузии иона, т - время переноса, z - заряд иона, F = 96487 Кл/моль, R= 8,314 Дж/(моль-К), Т- абсолютная температура, (р_а - собственный потенциал электрической асимметрии межфазных границ, знак «+» относится к переносу катионов и знак «-» соответствует переносу анионов. Построением в координатах InС(Со - С) - определяется D- по угловому коэффициенту прямых и ф_а - по отрезку, отсекаемому на оси ординат.

Все малоамплитудные физические поля, перечисленные выше, оказывают ускоряющее влияние на транскорпоральный электромиграционный перенос ионов, и коэффициенты ускорения могут быть выражены с помощью общей формулы:

К_у = К_у е -г, (² )

где Ку — коэффициент ускорения транскорпоральной диффузии ионов, Дф_а -стимулированный полем сдвиг потенциала электрической асимметрии, и -порядковый номер поля. Величины К_у и A<p_M приведены в табл. 1, причем параметры cpMNS » Дфаэм . Афщ, , Дф_ауз не поддаются теоретическому расчету и подлежат экспериментальному определению. Остальные физические величины расшифрованы в соответствующих разделах диссертации и они означают: V— напряжение электрического поля, - сила тока, Rm- сопротивление мембраны, фмд/ и (pus — потенциалы «омагничивания» при влиянии постоянного магнитного поля «северной» или «южной» ориентации, p_MN = фр или ф, В - магнитная индукция, г₀ - радиус кругового источника вращающихся магнитных полей, - частота синусоидального или пульсирующего магнитного поля, - частота вращения магнитного поля, An- энергия активации транскорпоральной ионной диффузии,- частота СВЧ-излучения, е₀ = 10⁴ /36tФ/м, с'- действительная часть относительной диэлектрической проницаемости мембраны, tg 6 - тангенс угла диэлектрических потерь, Е₀ - амплитудная напряженность электрического ноля СВЧ-излучения, р и с_р - плотность и теплоемкость мембраны, а к К — коэффициенты температуро- и теплопроводности мембраны, - коэффициент теплообмена, г_а - радиус сфокусированного лазерного луча, W_u - интенсивность лазерного облучения, v - скорость сканирования «пятна» лазерного излучения, и — частота и интенсивность ультразвука, с - скорость распространения ультразвука, т₀ - время нахождения иона в узле стохастической квазирешетки, - глубина узловой потенциальной «ямы», Дф, Аф A<Pa - сдвиги потенциала асимметрии, индуцированные СВЧ, лазерным и ультразвуковым полем, соответственно.

В третьей главе (экспериментальные исследования) приведены характеристики объектов и методики эксперимента (первый раздел), изучены параметры собственного и стимулированного переноса анионов антибиотиков через плацентарные мембраны (второй раздел), а также рассмотрены синергетические эффекты ускорения переноса при смешанном влиянии малоамплитудных физических нолей (третий раздел).

В качестве объектов исследования были выбраны препарированные в формальдегиде ювенильные ткани плацент со средней лазерно-иитерферометрической толщиной X ~ 0,1 мми антибиотики левомицетин, бензил пенициллин, оксациллнн (р-лактам), разведенные в терапевтических концентрациях 0,2 м каждый в изотоническом физиологическом растворе 0,9 мае. NaCl. Растворы с антибиотиками помешались над плацентарными мембранами в специальных стеклянных электрохимических ячейках, и исследования кинетики переноса производились посредством отбора проб из подмембраиного пространства после предварительного перемешивания. Пробы анализировались фотометрически на приборе СФ-2 в диапазоне длин волн 265- 300 нм со средней относительной погрешностью 3,5 %.

В качестве источников мал о амплитудных полевых воздействий применялись приборы Б5-43, «Атос», ЛТН-101, УЗУ-0,25 с заменой одного из трех НЧ-излучателей УЗ-колебаний на ВЧ-излучатель, Влияние СВЧ-излучения моделировалось термостатическим нагревом ячейки с 309,7 до 317 К. Термостат MWL поддерживал температуру 309,7 К (36,7 °С) во всех остальных экспериментах с точностью ±0,05 А'.

На рис. 1 представлены результаты исследования кинетики проницаемости плацент по аниону левомицетнна. При т > 10-15 мин экспериментальные точки укладывались на прямые в теоретических координатах InC/(C_D - С\) -т~ и вес малоамплитудные полевые воздействия ускоряют левомицетин о вый перенос. Плаценты обладают значительной индивидуальностью (рис. 1а, кр. 1-3), «выпрямляющими» свойствами по отношению к постоянному электроциклу с увеличением эффективного заряда до z = -1,2. Химическая стабилизация Р-лактамного цикла в полусинтетическом оксациллине дает z = -1 и нормальную корреляцию скорости плацентарного переноса с размером аниона. Такая же корреляция: левомицетин > бензилпенициллин > оксациллин наблюдалась и в экспериментах с ультразвуком, где преобладали механическая стимуляция диффузии и размерный фактор.

Обработка экспериментальных данных показала, что перенос анионов антибиотиков идет по липидным «кинковым» каналам проводимости с D= 2,6-1(Г⁸ — 2,6»⁷ см² /с, A_D = 7,9 - 13,4 кДж/моль, К_у = 1,2-13,5 при удельной электропроводности плацент 2,04-10^-7 См/см и ускоряющем сдвиге потен­циалов асимметрии Дср_а порядка нескольких единиц и десятков милливольт.

На основании полученных результатов было рассмотрено синергетическое ускорение антибиотикового переноса в смешанных малоамплитудных физических полях. Соответствующие теоретические уравнения модели «рыхлого квазикристалла» имеют вид:

для синергетических коэффициентов ускорения. Здесь С_х - среднее значе­ние модулированных переменными физическими полями ионных выходных концентраций, знак «+» отвечает переносу катионов, а «-», соответствует переносу анионов, величины К_уп и Дфа„ приведены в табл, N - общее число действующих смешанных полей.

Для плацентарного переноса анионов антибиотиков расчет дал зависимости К_у - N (рис. 3), которые могут быть аппроксимированы простым экспоненциальным законом в виде. Численный коэффициент а имеет значения: а = 0,408 - для оксациллина, а = 0,683 - для левомицетина, а = 0,730 - для бензилпенициллина. Среднее значение коэффициента по выборке из трех антибиотиков а = 0,5. В четвертой главе (электрохимические аспекты оптимизации аппаратов антибиотиковой физиотерапии) произведен учет системных реакций организма на суммарной биопараметричности физических полей Е и энергетической сенситивности тканей организма S(первый раздел), а также решена задача многопараметрической оптимизации эффективности лечения с помощью аппаратов антибиотиковой физиотерапии на смешанных полевых эффектах и найдена корреляция комплексного индекса оптимизации - КИО с относительным терапевтическим эффектом - ОТЭ (второй раздел).

Анализ литературных данных показал, что в качестве физиологически значимых воздействий физических полей, вызывающих системные реакции организма, можно выделить «диффузионное», «электрическое», «тепловое», «силовое», «сепарирующее», «санирующее» и «информационное». Присваивая каждому воздействию статистический вес, равный единице, можно заключить, что наименьший суммарный индекс биопараметричности имеют СВЧ -поля (рассматриваемые с точки зрения чисто теплового эффекта в биологических тканях) при Е = 3, а наибольший - ультразвуковые поля при I = 5. Электрические, магнитные поля и лазерное облучение имеют S = 4. Для смешанных воздействий N физических полей можно принять линейную ап­проксимацию численное решение, которого дает N_max = 2,4. При этом важно то, что положение N_max не зависит от р, т.е. от выбора числа факторов влияния физических полей, которое из-за сложности системных реакций организма и его индиви дуальной переносимости антибиотиковых физиотерапевтических процедур следует считать достаточно произвольным.

При а = 0,5 и |3 = 4 получается зависимость КИО - N, показанная на рис. 4а. Из этих данных следует, что оптимум сочетаний антибиотиковой физиотерапии отвечает плато КО = 0,7 при N_max = 2 - 4. Именно такой подход к конструированию аппаратов, основанный на использовании как минимум бинарных сочетаний полевых воздействий, и представляет собой наиболее перспективную линию развития современного клинического физиотерапевтического приборостроения. Например, это хорошо прослеживается на аппаратах, выпускаемых ООО «ТРИМА» в г. Саратове для лечения урологических, стоматологических и офтальмологических заболеваний с помощью магнитных, электрических, температурных полей, световых и лазерных излучений, а также их сочетанных комбинаций (приборы типа «Атос», «Ин-трамаг», «Интратерм», «Амблио» и т.п., разработанные под руководством к.т.н. Райгородского Ю.М.).

При анализе клинической эффективности применения этих и аналогичных им приборов других фирм применялся коэффициент тяжести заболевания K-t, рассчитываемый по диагностическим показателям, индивидуальным для каждого из перечисленных выше медицинских разделов.

Отбирались статистические данные по результатам лечения (из литературы, приведенной в разд. 1.2), позволяющие оценить К_т для контрольных групп I пациентов, лечившихся только антибиотиками, и для экспериментальных групп II пациентов, принимавших курсы сочетанной антибиотиковой физиотерапии. На основании этого по формуле:

ОТЭ = К_т (1)/К_т (П) (12)

оценивался относительный терапевтический эффект при уровне статистической достоверности 95 %. Была обнаружена достаточно хорошая корреляция между ростом N, КИО и ОТЭ, означающая корректность теоретических моделей и экспериментов invitro, разработанных и проведенных нами.

Выводы

1.Впервые фармакокинетические характеристики транспорта молекул антибиотиков через ткани организма связаны как с их электролитической анионной диссоциацией, так и с наличием стохастически распределенных мембранно-связанных зарядов в рамках модифицированной с учетом этих электрохимических аспектов модели «рыхлого квазикристалла», и сформулированы теоретические математические модели ускоряющего влияния малоамплитудных физических полей.

2.В экспериментах с препарированными плацентарными мембранами впервые была доказана адекватность вышеупомянутой модифицированной модели «рыхлого квазикристалла как для собственного, так и для физически стимулированного плацентарного переноса анионов левомицетина, бензилпенициллина и оксациллина по липидным «кинкевышт «канаттам проводимости с коэффициентами диффузии С^,6-10~⁸ -2,6-10~ активации 7,9-13,4 кДж/моль, плацент 2,04-10»⁷ См/см при ускоряющем сдвиге их потенциалов асимметрии порядка нескольких десятков милливольт.

3.Обнаружено влияние размера и эффективного заряда аниона антибиотика на кинетику плацентарного переноса, причем увеличение эффективного заряда из-за кислотной диссоциации по второй ступени (левомицетин, zs -1,09) или гидролитического диссоциативного расщепления Р-лактамного цикла (бензилпенициллин z= -1,2) ускоряет перенос и может компенсировать тормозящий размерный фактор (оксациллин z = -1).

4.При экспериментальных исследованиях влияния магнитных полей на электрохимическую кинетику переноса аниона левомицетина впервые были обнаружены артефакты в виде преобладания ускоряющего действия постоянного поля с «северной» ориентацией и магнитоме-ханических резонансов левомицетиновой проницаемости плацент при частотах вращения синусоидальных и пульсирующих полей 0,6 и 10 Гц.

5.На основе проведения теоретических и экспериментальных исследований впервые была построена математическая модель смешанных синергетических полевых воздействий в малоамплитудном приближении, и полуэмпирические расчеты показали, что результирующий коэффициент ускорения плацентарного переноса анионов левомицетина, бензилпенициллина и оксациллина нарастает с числом смещения полей по экспоненциальному закону.

6.С помощью комплексного индекса оптимизации (КИО) по трем выходным параметрам - результирующему коэффициенту ускорения, суммарной биопараметричности и безразмерному коэффициенту сенситивности впервые были определены оптимальные числа смешения полей от 2 до 4, обеспечивающие плато одинаковых максимальных значений КИО = 0,7 и оптимальность конструкции аппарата антибиотиковой физиотерапии на сочетанных полевых эффектах.