|
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА
Бойко Сергій Анатолійович
УДК: 577.346:537.868
дослідження впливу надвисокочастотного електромагнітного поля
на швидкість метаболізму 137Cs в організмі при використанні ентеросорбенту
03.00.01 - радіобіологія
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата біологічних наук
Київ-2002
Дисертацією є рукопис.
Роботу виконано в Інституті експериментальної радіології
Наукового центру радіаційної медицини Академії медичних наук України.
Науковий керівник: -Доктор медичних наук, професор
Чеботарьов Євген Юхимович
Інститут експериментальної радіології Наукового центру
радіаційної медицини Академії медичних наук України,
провідний науковий співробітник
Офіційні опоненти: Доктор біологічних наук, доцент
Андрейченко Сергій Вадимович
Інститут онкології Академії медичних наук України
завідувач лабораторії експериментальної онкології та
променевої патології
Доктор медичних наук, професор
Думанський Юрій Данилович
Інститут гігієни та медичної екології ім. О.М. Марзєєва
Академії медичних наук України,
завідувач лабораторії електромагнітних випромінювань
Провідна установа: Інститут клітинної біології та
генетичної інженерії Національної академії наук України
Захист відбудеться “_23_”_вересня_2002 р. о _14_ годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 26.001.24 Київського національного
університету імені Тараса Шевченка за адресою:
м. Київ – 127, проспект Глушкова, 2, корпус 12, біологічний факультет,
к. 504, конференц-зал.
Поштова адреса: 01033, Київ – 33, вул. Володимирська, 64,
Спецрада Д 26.001.24, біологічний факультет.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського
національного університету імені Тараса Шевченка: вул. Володимирська, 58.
Автореферат розіслано “_03_” _липня__ 2002 року
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат біологічних наук О.В. Брайон
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Аварія на Чорнобильській АЕС і пов’язане з нею радіоактивне забруднення величезних територій призвели до довгострокового надходження радіонуклідів у сільськогосподарські культури і, як наслідок, у раціон харчування населення - м’ясні, молочні, рибні й ін. продукти. Як показали результати моніторингових досліджень, при поширенні в результаті аварії довгоживучих радіоізотопів, продуктів поділу урану і плутонію, найбільш небезпечними для здоров’я населення є ізотопи цезію і стронцію (Бар’яхтар В.Г. - 1995). З них найбільшу небезпеку представляє 137Cs, тому що при викиді відпрацьованого палива і поширенні його на значній території питома вага при радіоактивному забрудненні навколишнього середовища саме ізотопів цезію виявилася найбільшою (Булдаков Л.А., Москалев Ю.И. - 1968). До того ж він є і найбільш рухливим радіоізотопом. Міграція його по ланцюгу “грунт – рослина – тварина” є досить інтенсивною. Тому рівні забруднення харчових продуктів, особливо в перші роки після аварії, були дуже значними, що призводило до отримання підвищених доз внутрішнього опромінення. А це, як наслідок, призводить до зниження імунітету людини, підвищення рівня різних видів порушень як у різних органах і тканинах, так і системі організму в цілому, що порушує його нормальне функціонування (Гродзінський Д.М. - 1991). Оскільки ключова ланка ланцюга міграції радіоактивних ізотопів - організм людини, основна задача профілактики накопичення радіонуклідів в організмі базується на двох принципах: зменшенні всмоктування радіонуклідів при їх потраплянні в організм та прискоренні виведення їх з організму за умов впливу на нього різних факторів. Були проведені дослідження щодо пошуку методів прискореного виведення з живого організму 137Cs, зокрема, при комбінованій дії на організм надвисокочастотного електромагнітного (НВЧ ЕМ) поля нетеплових інтенсивностей з одночасним використанням малих доз сорбентів рослинного походження (Кудряшов Ю.Б., Исмаилов Е.Ш. – 1971; Холодов Ю.А. - 1979). Таким чином, змінюючи швидкість метаболізму 137Cs в організмі, ми можемо істотно вплинути на формування дозового навантаження при гострому чи тривалому хронічному надходженні радіонукліду з продуктами харчування (Лазарович В.Г. - 1978).
Переваги даного методу вирішення проблеми зниження дозового навантаження на організм при внутрішньому опроміненні інкорпорованими радіонуклідами:
прискорене виведення радіоактивного цезію природнім шляхом;
немає необхідності регулярного вживання лікарських препаратів, постійна дія яких може викликати негативні наслідки для організму;
можливість впливати на ситуацію при гострому надходженні в організм 137Cs.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися при виконанні наступних програм:
Програми спільних проектів КЄС/СНД згідно з Договором про міжнародне співробітництво між Комісією Європейського співтовариства, Україною, Республікою Бєларусь і Російською Федерацією з питань, пов’язаних з наслідками аварії на Чорнобильській АЕС – ЕСР 9 “Перехід радіонуклідів в організм тварин, їх порівняльна значимість у різноманітних сільськогосподарських системах і відповідні контрзаходи” (1992-1995 рр. № д/р 0085U001251);
Теми № 270 “Визначити захисну дію вітамінних водорозчинних таблеток та олій з насіння гарбузових в умовах впливу малих доз іонізуючого випромінювання” (1998-2000 рр. № д/р 0197U003401).
Мета і задачі досліджень. Мета проведених досліджень – дослідити вплив НВЧ ЕМ поля на просмуговані м’язи і весь організм морської свинки для прискорення виведення 137Cs, а також визначити сорбційну ємність по 137Cs різних пектинових препаратів для використання їх як ентеросорбентів.
Задачі досліджень:
Вивчити вплив НВЧ ЕМ поля на величину мембранного потенціалу просмугованих м’язів стегна морської свинки.
Розробити методику прижиттєвого визначення 137Cs в організмі лабораторних тварин.
Вивчити розподіл 137Cs по органах морської свинки за умови опромінення їх НВЧ ЕМ полем.
Розробити методику прискореного виведення 137Cs з організму.
Розробити нову методику визначення сорбційної ємності по 137Cs пектинових препаратів для використання їх як ентеросорбентів.
Об’єкт досліджень – цілісний організм лабораторних тварин, органи і тканини організму, де міститься 137Cs.
Предмет досліджень – метаболізм 137Cs в організмі, для вивчення можливості зміни швидкості протікання метаболічних процесів для прискореного виведення 137Cs з організму.
Методи досліджень – мікроелектродна техніка, гамма-спектрометрія.
Наукова новизна отриманих результатів. Розроблена нова методика прижиттєвого визначення вмісту 137Cs в організмі лабораторних тварин, яка позитивно відрізняється від існуючих точністю і швидкістю вимірювань в умовах стаціонарного віварію.
Вперше було запропоновано метод прижиттєвого прискореного виведення 137Cs з організму. Також вперше була доведена можливість зміни швидкості рухливості 137Cs у живому організмі без будь-яких істотних негативних побічних ефектів (виведення 137Cs відбувалося з тканин в яких відбувається основне його депонування – просмугованих м’язових клітин).
Розроблена нова методика визначення сорбційної ємності пектинових речовин та інших препаратів на основі рослинної сировини за 137Cs.
Практичне значення отриманих результатів. Практична цінність роботи полягає в можливості зменшення дозового навантаження на організм при гострому надходженні радіоактивно забруднених продуктів харчування в організм людини. Запропонована методика прискореного виведення 137Cs з організму з використанням НВЧ ЕМ поля може дати як оздоровчий (для людини), так і соціальний (для суспільства) ефекти. Переваги даного підходу до вирішення проблеми зниження дозового навантаження при внутрішньому опроміненні організму очевидні:
1. Прискорене виведення з організму основного дозоутворюючого радіонукліду 137Cs природним шляхом.
2. Немає необхідності у регулярному застосуванні різних лікарських препаратів, постійна дія яких може призвести до небажаних наслідків для організму.
3. Можливість впливати на ситуацію при гострому чи тривалому хронічному надходженні в організм радіоактивних речовин, і в першу чергу, 137Cs.
Елементи розробленої методики використані в технологічному проекті. “Розробка диференційованих контрзаходів на луках с. Думінське Овруцького району Житомирської області для отримання молока згідно ДР-97 ” УНДІСГР-1998 № д/р. 0197U012852
Особистий внесок здобувача. Здобувач проводив пошук літературних джерел, на аналізі яких базувалися найбільш істотні дослідження, брав участь у виконанні практично всієї експериментальної роботи. Аналіз і узагальнення даних, отриманих в результаті досліджень, проведені самостійно. Доля здобувача в публікаціях чкладає від 30 до 100 %.
Апробація результатів дисертації. Апробація роботи проводилася:
на міжнародній науково-практичній конференції “Наука. Чорнобиль - 96” (Київ, 1996);
на III міжнародному з’їзді з радіаційних досліджень (Пущино, 1997);
на міжнародній науково-практичній конференції “Екологія людини і проблеми виховання молодих вчених” (Одеса, 1997);
на міжнародній науково-практичній конференції “Розроблення та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість” (Київ, 1997);
на міжнародній науково-практичній конференції “Наука. Чорнобиль - 98” (Київ-1998);
на IV міжнародному з’їзді з радіаційних досліджень (Москва, 2001).
Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в 12 наукових працях, в тому числі: 2 статті у наукових журналах, 4 - у збірниках наукових праць, 6 - у тезах конференцій.
Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, 3 розділів, висновків та списку використаних літературних джерел, що включає 116 посилань. Дисертація викладена на 112 стор., вміщує 28 рисунків, 8 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Матеріали і методи досліджень. Опромінення просмугованих м’язів стегна морських свинок проводили енергією електромагнітного поля, що отримано за допомогою приладу “Луч-3”. Контроль за величиною мембранного потенціалу (МП), який характеризує асиметрію іонів на мембрані клітини, проводили за допомогою методу мікроелектродної техніки.
Дослідження змін рухливості 137Cs в організмі проводили за наступною схемою:
Введення лабораторним тваринам розчину 137Cs до того моменту, поки кількість введеного та виведеного з організму 137Cs не прийде у стан рівноваги.
Опромінення лабораторних тварин надвисокочастотним електромагнітним полем для прискорення виведення 137Cs з м’язів.
Згодовування лабораторним тваринам препаратів, що мають сорбційні здатності до цезію для зв’язування його в шлунково-кишковому тракті (ШКТ) і подальшого виведення його з організму природнім шляхом.
Тварини були розподілені на декілька груп, одна з якої була контрольною, і кожна з груп піддавалася опроміненню НВЧ ЕМ полем різної інтенсивності протягом 10 діб. При цьому групи тварин були розділені на такі, що отримували сорбент і такі, що його не отримували. Контроль проводили за стандартною методикою визначення активності по 137Cs на гама-спектрометричному комплексі “NOKIA” LP-4900B.
Дослідження по визначенню сорбційної ємності по 137Cs різних пектинових препаратів проводили за наступною схемою:
Моделювання процесу роботи шлунку – рН 2,5; дія ферменту пепсину; час експозиції 1,5 години при перемішуванні;
Моделювання процесу роботи тонкого кишечнику – рН 5,5; фермент інактивується розчином NH4Cl; час експозиції 4 години при перемішуванні;
Моделювання процесу роботи товстого кишечнику – рН 7,2; додається фермент трипсин; час експозиції 12 години при перемішуванні.
Після цього сорбент та розчин розділяють і визначають їх активність по 137Cs. За цією схемою був проведений дослід по визначенню сорбційної ємності пектинових речовин, препаратів та кріопорошків на основі рослинної сировини.
Контроль активності розчинів та сорбентів проводили за стандартною методикою визначення активності по 137Cs на гама-спектрометричному комплексі “NOKIA” LP-4900B.
Вплив надвисокочастотного електромагнітного поля на просмуговані м’язи лабораторних тварин
Метою цієї частини роботи було підібрати такі параметри діючого НВЧ ЕМ поля, при яких мали б місце максимальні, але й у подальшому зворотні ефекти на мембрані клітин просмугованих м’язів морської свинки. Для проведення експерименту були взяті свіжопрепаровані просмуговані м’язи стегна морських свинок, які поміщали у чашку Петрі з ізотонічним розчином Рінгера і піддавали їх дії електромагнітного поля з наступним вимірюванням мембранного потенціалу.
Встановлено, що в залежності від інтенсивності енергії НВЧ ЕМ поля та експозиції, мають місце різноспрямовані ефекти. Так при опроміненні м’язів стегна морських свинок НВЧ ЕМ полем із щільністю потоку потужності (ЩПП) - 65 мВт/см2 та експозицією 20 хв проявлявся явно виражений ефект деполяризації мембран клітин із зміною величини МП від 40 до 5-7 мВ та наступним частковим відновленням його до 20-25 мВ. (рис. 1).
Аналіз результатів досліджень по зміщенню величини МП в сторону часткової деполяризації або гіперполяризації дозволяє робити висновки, що просмуговані клітини м’язової тканини можуть розглядатися як відкрита система, стан якої може зміщуватись в залежності не тільки від конкретного фізичного фактору впливу, але й від кількісних параметрів енергії, яку отримує система. Результат якісних екзергонічних реакцій у цій системі може бути діаметрально протилежним в залежності від кількісних параметрів зовнішнього діючого фактору, в нашому випадку НВЧ ЕМ поля. Так були визначені параметри перехідного стану, коли відбувалися хвилеподібні зміни величини МП м’язових клітин з наступним вирівнюванням його до вихідної величини (рис. 2).
При опроміненні м’язових клітин НВЧ ЕМ полем з ЩПП 16,25 мВт/см2 та експозицією – 5 хв, результати засвідчують незначний, але постійний стимулюючий ефект протягом 1,5 – 2 і більше годин після закінчення опромінення (рис. 3).
Все вище викладене дозволяє зробити висновок про можливість зміщення МП клітини в живому організмі для вирішення локальної задачі виходу 137Cs з клітини у міжклітинний простір, оскільки зміни величини мембранного потенціалу викликаються збільшенням або зменшенням концентрації іонів калію а також і цезію у м’язовій тканині. Наведені нами дані дозволяють робити висновки про ефективність використання енергії НВЧ ЕМ поля для зміни балансу іонів калію та, як наслідок, і 137Cs в клітинах просмугованих м’язів морських свинок.
Рис. 1. Зміни величини мембранного потенціалу (МП) м’язів стегна морських свинок при їх опроміненні НВЧ ЕМ полем із ЩПП 65 мВт/см2 та експозицією 20 хв.
Рис. 2. Зміна МП клітин м'язів стегна морської свинки при опроміненні їх НВЧ ЕМ полем із ЩПП 16.25 мВт/см2 і експозицією 10 хв.
Рис. 3. Зміни величини мембранного потенціалу (МП) м’язів стегна морських свинок при їх опроміненні НВЧ ЕМ полем із ЩПП 16.25 мВт/см2 та експозицією 5 хв.
Результати досліджень дозволяють зробити висновок про можливість зміщення МП клітини в живому організмі для вирішення локальної задачі виходу 137Cs із клітини в міжклітинний простір, оскільки зміни величини МП викликаються збільшенням чи зменшенням концентрації як іонів калію, так і цезію у м’язовій тканині.
Отримані результати послужили як основа для проведення наступних дослідів по вивченню впливу надвисокочастотного електромагнітного поля на органи, тканини і весь організм морських свинок з метою прискорення виведення з нього 137Cs.
Розробка методу прискореного виведення 137Cs з організму лабораторних тварин
Метою цієї частини роботи було визначення параметрів діючого на організм НВЧ ЕМ поля при яких спостерігався б прискорений вихід 137Cs з м’язових клітин живої морської свинки.
В результаті проведеного експерименту встановлено, що найбільшу цікавість для нас представляє 3 група тварин, яку опромінювали НВЧ ЕМ полем інтенсивністю 16,25 мВт/см2 з експозицією 5 хв тричі на добу. Одночасно тваринам згодовували сорбент, що має підвищену селективність до радіоактивного цезію – ферацин (табл. 1). Після 10 діб експерименту тварин забивали на 3, 10 та 40 хв після останнього опромінення. У вказаній групі тварин відмічається чітка кореляція між активністю по 137Cs м’язової тканини та активністю шлунково-кишкового тракту (ШКТ) (рис. 4). Це можна пояснити тим, що 137Cs, який був винесений з м’язової тканини по кров’яному руслу досягає ШКТ, в якому бере активну участь в іонообмінних процесах і зв’язується з сорбентом. Також у вказаній групі тварин відмічається зниження активності по 137Cs таких органів як печінка, нирки, серце, що говорить про прискорення виносу радіоцезію з них у порівняні з контрольною групою (рис. 5).
Рис. 4. Динаміка активності по 137Cs органів морської свинки.
137Cs, що потрапляє до організму з їжею конкурує з калієм, який відповідає за стабільний стан клітини. При всмоктуванні крізь стінки шлунково-кишкового тракту більша частина 137Cs потрапляє у кров’яне русло і далі проти градієнту концентрації надходить в клітини м’язової тканини, заміщаючи собою калій.
Рис. 5. Розподіл 137Cs по внутрішніх органах морської свинки в динаміці післядії НВЧ ЕМ поля.
Після закінчення надходження радіоцезію починається поступове виведення його з організму. Процес виходу 137Cs з організму описується двоекспоненціальною функцією. Перша експонента характеризує вихід швидкої фракції 137Cs з внутрішніх органів. Частина радіоцезію, що залишилася, знаходиться у м’язовій тканині. Виводиться дуже повільно. Прискорити виведення можна, якщо діяти на організм НВЧ полем, змінюючи мембранний потенціал клітин м’язової тканини.
В результаті дії НВЧ ЕМ поля на організм має місце підвищений рівень виносу у міжклітинний простір, а в подальшому у кров, 137Cs (рис. 6, рис 7). Для зв’язування радіоцезію та недопущення його участі у подальших іонообмінних процесах тваринам вводили ентеросорбент, який утворює з цезієм малорозчинну сполуку і виводить його з організму природнім шляхом.
Для того, щоб оцінити тенденцію виведення 137Cs з організму, за одиницю вимірювання далі будемо використовувати відношення активності по 137Cs конкретного органа до всього організму. При опроміненні тварин НВЧ ЕМ полем потужністю 5 Вт з експозицією 5 хв 3 рази на добу, винесення радіоцезію спостерігається не тільки з м’язової тканини, але й з інших внутрішніх органів (печінки, нирок, серця). Однак, збільшення його концентрації у кров’яному руслі за рахунок винесення з м’язів не дозволяє достатньо ефективно виводити 137Cs з паренхіматозних органів. Так концентрація 137Cs в печінці протягом періоду досліджень достатньо стабільна (відношення Апеч/Аорг = 0.35; 0.41; 0.38 для 3; 10; 40 хв після опромінення відповідно) (рис. 7).
Рис. 6. Активності по 137Cs організму та органів морської свинки при опроміненні НВЧ ЕМ полем із згодовуванням сорбенту (3 група) а також при використанні лише сорбенту (4 група).
Нирки в перший час після опромінення достатньо добре виводять 137Cs (Анир/Аорг = 0.71 і 0.38 на 3 і 10 хв відповідно). Однак на 40 хв після опромінення нирки починають накопичувати радіоактивний цезій (Анир/Аорг = 0.62) (рис. 7). Серцева м’язова тканина (орган, де проходить найбільш інтенсивний кровоток у всьому організмі) практично одразу піддається дії підвищеного виносу в кров іонів 137Cs. Вихід радіоцезію з м’язової тканини практично нівелюється одразу ж після опромінення і у подальшому за рахунок постійного притоку відбувається його накопичення (відношення Асер/Аорг = 0.28; 0.29; 0.35 для 3; 10; 40 хв після опромінення відповідно) (рис. 7).
Рис. 7. Зміна концентрації 137Cs у внутрішніх органах морської свинки після опромінення НВЧ ЕМ полем з використанням ентеросорбенту.
Зменшення питомої активності печінки, нирок, серцевого м’яза до цілісного організму відбувається за рахунок підвищеної сорбції 137Cs із крові в ШКТ за рахунок інтенсивних іонообмінних пристіночних процесів. Разом з тим відзначається збільшення питомої активності по 137Cs поперечносмугастих м'язів стегна морської свинки до цілісного організму. Відбувається також і збільшення питомої активності кишечнику до активності організму, що означає підвищений вміст 137Cs за рахунок зв'язування його в ШКТ сорбентом. У результаті основна мета - прискорення виходу 137Cs з м'язової тканини не досягається. Для досягнення поставленої задачі необхідна комбінована дія НВЧ ЕМ поля з ентеросорбентом. Так, завдяки впливу НВЧ ЕМ поля зазначених параметрів, змінюється проникність мембран м'язових клітин. Як наслідок, 137Cs прискорено виходить з м'язової тканини в міжклітинний простір і, проходячи по кровоносному руслу, у результаті іонообмінних процесів, у ШКТ зв'язується із речовиною, селективною до радіоцезію. Відзначено пряму кореляцію між зменшенням концентрації 137Cs в м’язах і збільшенням його концентрації в кишечнику (табл. 1).
Результати проведеного експерименту дозволяють зробити висновок про можливість використання НВЧ ЕМ поля зазначених параметрів для інтенсифікації виведення 137Cs із внутрішніх органів лабораторних тварин, а також живого організму за умови одночасного згодовування їм сорбенту.
Таблиця 1
Розподіл 137Cs по органах і тканинах організму морської свинки при опроміненні тварин НВЧ ЕМ полем, а також при згодовуванні їм сорбенту.
Р < 0.05
Дослідження метаболізму 137Cs в організмі морської свинки вказує на необхідність введення в раціон харчування речовини, що має підвищену сорбційну ємність до 137Cs, бо виведений з м’язової тканини цезій з часом проходячи по кровоносній системі, знову надходить у м’язи. Введення сорбенту є необхідною умовою прискореного виведення 137Cs з організму.
Розробка методу визначення сорбційної ємності по 137Cs пектинових речовин як ентеросорбентів
Визначено, що включення пектиновмісних продуктів до раціону харчування перерозподіляє метаболічні шляхи виведення 137Cs з організму і дозволяє знизити всмоктування його у шлунково-кишковому тракті. Була запропонована модель зв’язку пектинової молекули і іону цезію у шлунково-кишковому тракті. На основі цієї моделі була розроблена схема визначення сорбційної ємності пектиновміщуючого препарату. Розрахунки кількості 137Cs, що сорбується пектиновими речовинами, проводили з урахуванням розрахованих нами коефіцієнтів зв’язування, які залежать як від хімічного складу цих речовин, так і від їх фізичних параметрів (табл. 2).
Нами була впроваджена формула обрахунку сорбційних можливостей пектинових речовин що до 137Cs, яка може бути представлена у вигляді:
Апп = [ (Ап – Ак) / Ап] *100% * (Кпп), де :
Апп – активність сорбції пектинового препарату по 137Cs,
Ап – кількість радіоактивного цезію у розчині (активність розчину початкова), Бк/пробу
Ак – залишкова активність розчину після сорбції, Бк/пробу.
Кпп – коефіцієнт сорбції пектинового препарату. Залежить як від природи препарату, так так і від його агрегатного стану та обчислюється за формулою:
Кпп = К1*К2*К3*К4*К5, де
К1 – коефіцієнт зв’язування пектиновим препаратом радіоактивного цезію, залежить від % вмісту пектинової речовини у заданому об’ємі (К1 = 100 % при утворенні стійкого гелю).
К1 = 1 – ехр(% внесеного препарату) (рис. 7).
К2 – коефіцієнт, що залежить від ступеню етерифікації пектинового препарату.
К2 = 1/Е, де Е – ступінь етерифікації.
К3 – коефіцієнт, що характеризує % вмісту пектинових речовин у досліджуваному зразку.
К4 – коефіцієнт, що характеризує % можливих зіткнень радіоактивного цезію з вільними радикалами (активними центрами) пектинової молекули. В залежності від активності розчину в заданому об’ємі реально може набувати значень від 0,5 до 0,8.
Для даних умов приймаємо К4 = 0,7 * К1
К5 – коефіцієнт дисперсності пектинового препарату, приймає значення від 0,6 до 0,9.
| 
