Физико-химические основы действия лечебных физических факторов на организм
Действие лечебных физических факторов на живой организм обусловлено преобразованием их энергии (электрической, механической, тепловой и др.) в биологический процесс. Непосредственная утилизация энергии физических факторов живыми системами невозможна. Поглощенная часть энергии фактора трансформируется в биоэнергетические процессы. Основу трансформации поглощенной энергии составляют физико-химические сдвиги, происходящие в первичных системах и тканях и оказывающие влияние на биофизические, биохимические и физиологические процессы. Универсальность структурно-функциональных взаимоотношений составляющих элементов клеток к тканях живого организма и соразмерность количеств поглощаемой ими энергии физического фактора с аутоэнергией, развивающейся во внутриклеточных процессах, определяют направление, размерность и интенсивность формирующихся в клетках физико-химических процессов. Несмотря на трудность изучения данного вопроса, сегодня уже имеется возможность устанавливать в первичных функциональных системах целостного организма опосредованные физико-химические изменения под действием естественных и преформированных физических факторов внешней среды при их лечебном и профилактическом применении.
Температурный эффект
Энергия физического фактора может переходить в тепло, что послужило основанием к выдвижению тепловой теории в качестве первой теории первичного действия физических факторов. Тепловая теория первичного действия лечебных физических факторов основывается на следующих факторах и предпосылках: а) термодинамикой допускается возможность перехода любых видов энергии, в том числе и энергии всех физических факторов, в теплоту; б) при действии многих физических факторов наблюдается в той или иной степени повышение температуры тканей; в) тепло активно влияет на различные биохимические и биофизические процессы в живых системах, что открывает путь к преобразованию энергии физического фактора в биологическую реакцию.
Биологическое действие тепловой энергии, возникающее в результате усиления броуновского движения молекул, определяется прежде всего ее влиянием на скорость протекания биохимических (ферментативных, в особенности) реакций и некоторых физических процессов, в большинстве случаев подчиняющихся закону Аррениуса. Не менее важно, что температурные изменения, которые наблюдаются при действии физических факторов, влияют на пространственную структуру свободных и структурированных молекул и таким путем также может реализоваться их действие на организм.
В общем можно отметить, что незначительное повышение температуры, наблюдающееся при многих физиотерапевтических воздействиях, может стимулирующе влиять на жизнедеятельность целостного организма. Значительные температурные отклонения, что наблюдается преимущественно при передозировке физических факторов, приводят к подавлению жизнедеятельности организма и даже прекращению ее. Возможность как стимулирующего, так и подавляющего действия и явилась основанием к широкому использованию тепла в физиотерапии.
Очевидно, что действие физических факторов не может быть сведено к тепловому, а тепловая теория имеет известные ограничения. Нетепловое действие физических факторов не противоречит и второму закону термодинамики, указывающему на то, что в открытой функциональной системе живого организма поглощенная энергия может превращаться не только в теплоту, но еще до ее образования переходить в физико-химический процесс, как результат энергетических взаимодействий внутриклеточных элементов.
По мнению А. И. Журавлева (1973), ограничения тепловой теории прежде всего определяются неспособностью живого организма непосредственно утилизировать тепловую энергию в метаболических реакциях. Тепло лишь изменяет скорость происходящих биохимических процессов. Ограничения тепловой теории обусловлены и тем, что применение некоторых физических факторов не сопровождается значительным изменением температуры тканей и их действие на организм осуществляется за счет более высокоценных, чем тепло, видов энергии. Наконец, реакции организма на нетепловые интенсивности воздействия энергии могут быть более выраженными и разнообразными, чем на применение мощных термических дозировок физического фактора. К тому же специфичность действия физиотерапевтических агентов отчетливее проявляется при дозировках, не сопровождающихся теплообразованием в тканях.
Различия в действии тепловых и нетепловых интенсивностей наблюдаются в отношении микроволн, электрического поля ультравысокой частоты, индуктотермии, ультразвука и др. Об ограниченности тепловой теории свидетельствует и то, что при одном и том же температурном эффекте различных физических факторов в организме наблюдаются далеко не равнозначные сдвиги во многих системах.
Таким образом, с одной стороны, нет никаких оснований отрицать влияние эндогенного тепла, образуемого при действии физических факторов, на физиологические функции. С другой стороны, неверным будет также отождествлять действие физиотерапевтических факторов с превращением их энергии в тепло. Тепловое действие играет решающую роль лишь при интенсивных воздействиях, которые в лечебной практике почти не применяются. В терапевтическом диапазоне интенсивностей воздействия, не приводящем к выраженному изменению температуры тела, основную роль в механизме действия играют нетепловые (специфические) эффекты физических факторов. Уточнение этих специфических механизмов) действия и выделение их среди термических эффектов — важная задача современной физиотерапии.
Ионные сдвиги
Ионный гомеостаз является системой, определяющей ответ клетки на внешние воздействия. Это обусловлено прежде всего универсальным участием ионов в жизнедеятельности организма. Вполне резонно рассмотрение и механизма первичного действия лечебных физических факторов с этих позиций. Согласно ионной теории, действие физических факторов на организм определяется изменением концентрации и соотношения ионов в клетках и тканях. Воздействие постоянными электрическими полями и токами сопровождается направленным перемещением ионов, накоплением их у мембран, перераспределением их между клетками и средой, усиленным накоплением их в отдельных структурах клетки. Ионная теория весьма удовлетворительно объясняет и полярные различия в действии постоянного тока. При применении других физических факторов ионные сдвиги носят менее отчетливый характер и чаще являются вторичными, поэтому ионную теорию нельзя считать универсальной, пригодной для объяснения механизма первичного действия всех физических факторов.
Образование свободных форм веществ
Биологически важные вещества (неорганические ионы, гормоны, гистамин и др.) в организме могут находиться в двух формах — свободной (легкообмениваемой) и связанной (труднообмениваемой). Последняя форма является механизмом биотранспорта и инактивации веществ. В биохимические реакции и в физиологические процессы вещества вступают в основном в свободном состоянии. Образование свободных форм веществ предполагает повышение их биологической активности. Связывание и высвобождение биологически активных веществ считается важным механизмом физиологической регуляции в живых функциональных системах. Через этот механизм может реализоваться действие на организм физических факторов.
После гальванизации, например, наблюдается повышение активности ионов не только в подэлектродных тканях, но и в к органах, расположенных на пути прохождения тока. Увеличение термодинамической концентрации ионов должно способствовать повышению физиологической активности тканей и рассматривается в качестве одного из механизмов стимулирующего действия постоянного тока. Изменение активности ионов в тканях отмечается и под действием других факторов (ультразвук, микроволны), но оно носит качественно и количественно иной характер.
Найдено, что воздействие физическими факторами приводит как к количественному изменению уровня биоактивных соединений (кортикостероиды, норадреналин, серотонин и др.) в крови и тканях у различных групп больных и экспериментальных животных, так и к качественным сдвигам — увеличению свободных форм их. Показано также, что применение дециметровых волн, индуктотермии, магнитного поля у крыс вызывает значительное повышение в крови не связанных с транскортином свободных 11-оксикортикостероидов.
Предварительные и особенно последующие воздействия физиотерапевтическими агентами (постоянный ток, магнитное поле, ультразвук) приводят к увеличению в крови свободной и уменьшению связанной формы некоторых лекарств (противотуберкулезные препараты, гидрокортизон и др.), введенных в организм. В этом, по-видимому, проявляется один из механизмов повышения фармакологической активности лекарств при их применении в комплексе с физическими факторами.
Следовательно, имеется достаточно оснований утверждать, что в механизме первичного действия физических факторов на организм несомненную роль играет вызываемое (или стимулируемое) ими образование свободных (активных) форм веществ (ионы, гормоны и другие соединения).
Электрическая поляризация
Электрическая поляризация — образование в твердых, жидких веществах и газах собственной электродвижущей силы, направленной против приложенного к объекту электрического поля (тока). Этот процесс в биологических системах имеет большое влияние на протекающие в них физико-химические изменения при воздействии электрическим полем. Из многих видов электрической поляризации в применении к физиотерапии можно ограничиться следующими видами электрической поляризации: электронной, ионной, дипольной, макроструктурной и поверхностной. Электронная поляризация — смещение электронов, на своих орбитах относительно положительно заряженных ядер в атомах и ионах.
Макроструктурная поляризация связана с неоднородностью электрических свойств вещества (ткани). При наличии хорошо и плохо электропроводящих слоев свободные ионы перемещаются в пределах хорошо электропроводной части и накапливаются у ее границ. Время релаксации макроструктурной поляризации колеблется от 10~8 до 10~3 с. За счет макроструктур, ной поляризации, которая играет основную роль в биологических объектах, диэлектрическая проницаемость тканей очень велика. Поверхностная поляризация происходит на поверхностях, имеющих двойной электрический слой. При наложении внешнего поля частицы дисперсной фазы и ионы диффузного слоя смещаются в различные стороны. Время релаксации поверхностной поляризации равно 10-3-1 с. Этот вид поляризации играет важную роль в количественных закономерностях лекарственного электрофореза. Явление поверхностной поляризации обусловливает высокое сопротивление тканей постоянному току (10~6-10-7 Ом/см). При его прохождении вначале возникают те виды поляризации, которые имеют меньшее время релаксации.
При гальванизации и лекарственном электрофорезе поляризационные явления преимущественно возникают в коже, хотя наблюдаются и в других тканях, расположенных между электродами. Биологическое значение поляризации заключается в том, что она сказывается на дисперсности коллоидов протоплазмы, гидратации клеток и лекарственных ионов, процессах диффузии и осмоса, изменении соотношения свободных и связанных ионов. Затухает поляризация в течение различного времени - от минут до часов, дней и многих суток, с чем связывают длительное последействие постоянного тока.
Своеобразно влияние переменных токов и полей на электрические свойства веществ. Здесь поверхностная поляризация зависит от периода действия (частоты) переменного тока, т. е. характеризуется дисперсией. Если время, в течение которого электрическое поле направлено в одну сторону, больше времени релаксации какого-либо вида поляризации, то последняя достигает своего максимального значения. Если же при увеличении частоты полупериод переменного тока становится меньше времени релаксации, то поляризация не успевает достигнуть максимального значения. С увеличением частоты диэлектрическая проницаемость начинает уменьшаться, а проводимость — возрастать. При этом поверхностная поляризация последовательно переходит в электрическую, поскольку сущность поляризации сводится к перераспределению ионов в двойном электрическом слое.
Для действия факторов высокочастотной электротерапии: характерно возникновение макроструктурной и дипольной поляризации. При их применении могут возникать дополнительные поляризационные эффекты:
- поляризация белковых и других органических молекул, обладающих дипольным моментом (она возникает на частотах в несколько мегагерц);
- в диапазоне частот 100-1000 мГц — поляризация гидратных оболочек макромолекул (связанной воды);
- на тех же частотах поляризация связанных полярных групп макромолекул, имеющих время: релаксации меньше, чем макродиполи молекул.
Тепловой эффект высокочастотных факторов в значительной степени обусловлен диэлектрической поляризацией. Максимальный нагрев тканей происходит в зоне дисперсии электропроводности, когда поляризация наиболее интенсивна. Действие лучистой энергии и химических раздражителей сопровождается изменением электропроводности и поляризации, в частности в коже. Поляризация обнаруживает явную зависимость от температуры, что объясняет влияние на нее теплолечебных факторов.
Вне сомнения, дальнейшее развитие методов физиотерапии в особенности оптимизация электротерапевтических воздействий, предполагает широкое исследование электрических свойств, различных тканей в диапазоне применяемых частот.
Биоэлектретный эффект
Биологическим объектам, как известно, кроме вынужденной (внешней) присуща естественная неравновесная поляризация. Она является структурной основой так называемого биоэлектретного состояния тканей, т. е. состояния, ранее известного лишь для электретов — небиологических носителей электрических нескомпенсированных зарядов. Биоэлектретное состояние тканей выявляется по способности их: в процессе жизнедеятельности генерировать относительно сильное электростатическое (квазипостоянное) поле вследствие возникновения нескомпенсированного электрического заряда в биологической структуре.
Лежащая в основе биоэлектретного состояния тканей неравновесность поляризации связанных зарядов должна обеспечивать высокую чувствительность последнего к действию физических факторов. Исследования показывают, что некоторые физиотерапевтические воздействия (гальванизация, ультразвук) существенно влияют на величину и динамику квазипостоянного биоэлектрического поля. Измерение последнего может быть использовано для оптимизации воздействий физическими факторами, прежде всего электростатическими полями (полями электретов).
Свободнорадикальные процессы
Свободные радикалы — молекулы или их части, имеющие один или несколько неспаренных электронов на молекулярной или внешней атомной орбите. Наличие неспаренного электрона наделяет вещество высокой реакционной способностью. Свободные радикалы играют важную роль в жизнедеятельности организма. В частности, они являются активными промежуточными продуктами ферментативных окислительно-восстановительных процессов в биосистемах. Свободные радикалы участвуют в генерации биоэлектрических потенциалов. Установлено их важное значение для процессов возбуждения в авторегуляторных механизмах клетки и др. Доказана патогенетическая роль свободнорадикальных реакций во многих процессах с нарушением физиологических норм в целостной системе организма.
Роль свободных радикалов в действии физиотерапевтических факторов отражена в свободнорадикальной теории А. И. Журавлева (1973). Согласно ей первичное действие физических факторов связано с их влиянием на свободнорадикальные процессы. Иллюстрацией могут служить следующие экспериментальные данные.
Различными методами показано, что свободные радикалы являются обычным продуктом действия излучения на органические вещества (белки, аминокислоты, нуклеиновые кислоты, липиды и др.). При исследовании тканей облученных животных увеличение количества свободных радикалов выявлено в большинстве органов. Радоновые ванны также инициируют образование свободных радикалов во многих компонентах биологических тканей. Энергия кванта УФ-лучей равна 75-158 ккал/моль, а следовательно, достаточна для образования свободнорадикальных состояний веществ. Экспериментальные исследования полностью подтвердили теоретические предпосылки. После облучений УФ-лучами особенно сильно генерация электронновозбужденных состояний происходит в коже и печени.
Экспериментально доказана возможная роль свободных радикалов в механизме первичного действия магнитных полей. Под влиянием их наблюдается не только повышение уровня свободных радикалов в отдельных органах, но и их перераспределение между тканями. Под влиянием магнитного поля активизируется радикалообразование у животных. Повышение концентрации свободных радикалов под действием магнитного поля наблюдалось и в модельных опытах (аскорбиновая кислота + кровь). Приведенные данные указывают на участие свободных радикалов в механизме действия этого физического фактора.
Воздействие ультразвуком (УЗ) терапевтических интенсивностей приводит к генерации возбужденных электронных состояний, а следовательно, и к возможности образования короткоживущих свободных радикалов в воде, водных растворах электролитов, некоторых биосубстратах. Обнаружено интенсивное свечение сыворотки крови в момент воздействия УЗ умеренных (некавитирующих) интенсивностей. Это свечение имеет следующие особенности. Оно регистрируется, начиная с интенсивности 0,05-0,1 Вт/см2 и только в момент озвучивания. Свечение под влиянием УЗ повышается с ростом интенсивности от 500 имп/с при 0,1 Вт/см2 до 200 000 имп/с при 0,7 Вт/см2. При этом в указанных пределах интенсивностей сохраняется пропорциональность между дозой (падающая энергия) и эффектом (интенсивность свечения). Интенсивность свечения изменяется при варьировании режимов УЗ-воздействия. Генерация электронных возбужденных состояний в водных средах при низких интенсивностях должна учитываться как путь трансформации механической энергии в другие ее формы при действии УЗ.
Наряду с факторами, генерирующими образование свободных радикалов, известны физические факторы, которые ингибируют свободнорадикальное образование. К их числу можно отнести пелоиды, некоторые виды ванн. Микроволны, инфракрасные лучи и электрический ток, по-видимому, на радикальные процессы действуют косвенно.
Конформационные изменения
Из-за скудности данных сегодня нет еще окончательного мнения о месте конформационных изменений макромолекул и мембран в механизме первичного действия лечебных физических факторов. Интерес к этому вопросу прежде всего обусловлен той исключительной ролью, которую играют изменения пространственной трехмерной структуры (конформации) макромолекул в живом мире. Способность к конформационным переходам является важнейшим свойством белков и других биополимеров и в значительной степени определяется активностью их функционирования.
Наличие в макромолекулах как прочных, так и слабых типов связей наделило их одновременно исключительной динамичностью (пластичностью) и достаточной прочностью. Это, с одной стороны, обеспечивает выполнение биополимерами многообразных биологических функций, а с другой стороны, делает их уязвимыми для факторов внешней среды.
В плане понимания резонансных эффектов физических факторов следует упомянуть о спонтанных конформационных колебаниях белковых макромолекул. Имеются указания на существование спонтанных конформационных колебаний с частотой от десятков герц (рибонуклеаза) до десятков килогерц (полипептиды). Для белков характерны и более высокочастотные структурные колебания, возникающие в связи с их упругими деформациями. Они могут обеспечить поглощение энергии электромагнитных колебаний сверхвысокой частоты (порядка 1010 Гц и выше). Совпадение частоты спонтанных колебаний макромолекул с действующей частотой физического фактора является основой резонансного поглощения их энергии.
Экспериментально изучено действие переменного магнитного поля (ПеМП) на конформацию белков сыворотки крови, тканей и ферментов и на показатели энергетического обмена. Проведенные исследования выявили отчетливое влияние магнитных полей малой напряженности на структуру и спектр тиоловых групп белков, активность ферментов, устойчивость липопротеиновых комплексов и резистентность мембраны эритроцитов. Все эти разнообразные эффекты обусловлены, по всей вероятности, влиянием физического фактора на конформацию белковой молекулы. Поглощение кванта УФ-лучей ароматическими аминокислотами (хромофорами) белков сопровождается существенным изменением колебательной конфигурации, белковой молекулы, приводящим к нарушению ее физико-химических свойств и биологической активности.
Более многочисленны данные, хотя в большинстве своем и косвенные, о влиянии микроволн на конформацию биологических макромолекул. Обнаружены структурно-функциональные изменения белковых молекул под влиянием электромагнитных полей, существенно зависящие от частоты действующего фактора. При определенной резонансной частоте (в интервале 8200-12 400 мГц) СВЧ поля изменялась оптическая плотность раствора лизоцима и скорость фермент-субстратной реакции. Зависимость активности ферментов от действующей частоты ЭМП обнаружена также в отношении амилазы, каталазы и пероксидазы.
Молекулы белка и полисахаридов в поле УЗ-волн подвергаются различным превращениям, которые э большинстве случаев поддаются регулированию. Эти изменения касаются структуры, формы и функции озвучиваемых биополимеров. Характер их в значительной степени зависит от строения боковых и концевых групп макромолекул и от природы газа, присутствующего в озвучиваемой водной среде. Зависимость электростатической энергии молекулы от пространственной конфигурации теоретически доказывает, что конформационные изменения могут происходить под действием электростатических полей.
Изменение состояния воды
Вода играет универсальную роль в жизнедеятельности организма. Благодаря своим уникальным свойствам и повсеместному распространению она пригодна для выполнения самых различных биологических функций. С термодинамических позиций структура воды является термолабильной и подвергается непрерывным фазовым переходам кристалл-жидкость. Биологические функции в значительной степени сопряжены с построением и разрушением водных структур. Поскольку вода в тканях имеет специфическую упорядоченную структуру, то биологическое действие физических факторов может реализоваться через взаимодействие их с водой. Среди физико-химических механизмов действия физических агентов следует назвать влияние их на микроструктуру водных систем. Изменение микроструктуры воды, очевидно, наблюдается при совпадении частоты внешних воздействий с частотой активационных форм движения молекул воды. Последние осуществляют вибрационное, трансляционное и вращательное движение. Частота их соответственно равна 109, 108 и 106 Гц.
Под действием магнитного (МП) и электромагнитного (ЭМП) поля обнаружено возрастание поверхностного натяжения, вязкости и электропроводности воды, существенно зависящее от напряженности поля. Максимальный эффект в отношении диэлектрической проницаемости отмечен при напряженности 150 мТ. С точки зрения биологического действия магнитного поля определенный интерес представляют данные о влиянии обработанной магнитным полем воды на поведение и жизнедеятельность живых организмов, на свойства биологически активных веществ. Введение животным внутрибрюшинно обработанной магнитным полем (10-150 мТ) воды сопровождается повышением диуреза, увеличением надпочечников и уменьшением селезенки. В омагниченном изотоническом растворе хлорида натрия эритроциты набухают и разрушаются на 21-25% скорее, чем в обычном.
Длительное употребление омагниченной воды приводит к гемодинамическим и различным дистрофическим сдвигам в организме подопытных животных. Отмечено снижение активности различных ферментов (уреаза, фосфоглюкомутаза и АТФ-аза) в омагниченной воде. Имеются многочисленные данные об изменении фармакологической активности омагниченных растворов лекарственных веществ.
Получены как прямые, так и косвенные данные о влиянии электромагнитных полей (ЭМП) на свойства воды. Показано, что 30-минутное воздействие ЭМП частотой от 100 кГц до 10 МГц повышает оптическую плотность воды в диапазоне 380-681 нм.
Действие электромагнитных колебаний на макромолекулы белков связывают, в частности, с их влиянием на молекулы и микрокристаллы воды. Известно, что для свободных молекул воды характеристическая частота релаксации находится в СВЧ- диапазоне, а для льда — в области звуковых частот. Люминесцентное свечение — одно из характерных явлений, сопровождающих действие УЗ на жидкость, объясняют влиянием его на структуру воды. Нет сомнений, что и в механизме первичного действия инфракрасных и УФ-лучей, электрического тока и других физических факторов на организм определенную роль также играет вода.
Приведенные данные находятся в достаточно хорошем соответствии с гипотезой о важной роли воды в механизме действия лечебных физических факторов. Во всяком случае вода играет центральную роль в механизмах поглощения и биологических эффектах магнитных и электромагнитных полей.
Рассмотренные выше физико-химические сдвиги и активные формы, возникающие при действии лечебных физических факторов, либо непосредственно утилизируются в метаболических и физиологических процессах, либо оказывают косвенное влияние на течение их в организме. Следовательно, они могут рассматриваться как промежуточная (физико-химическая) стадия на пути преобразования поглощенной энергии физического фактора (физическая стадия) в биологическую реакцию (биологическая стадия). Не вызывает сомнения, что в механизме первичного действия физических факторов большое значение имеет также их влияние на электронный перенос и трансформацию энергии, электрокинетические и другие физико-химические: явления. Однако из-за отсутствия каких-либо экспериментальных данных по этим вопросам они в данное время не рассматриваются.
Приведенные выше краткие сведения о некоторых физикохимических процессах, протекающих в организме на клеточномолекулярном уровне, позволяют видеть определенную долю специфичности в действии применяемых физических факторов в практике современной физиотерапии. Конечно, в той или иной, мере каждому физическому фактору сопутствует большая: часть приведенных выше физико-химических изменений в системах организма, но в то же время отдельные процессы прослеживаются преимущественно более отчетливо лишь под действием определенных факторов. Так, например, ионные процессы в организме наиболее отчетливо проявляются под действием электрических токов; конформационные явления в белковых структурах и изменения в состоянии воды наиболее характерны для действия энергии высокочастотных электромагнитных колебаний, образование же свободнорадикальных элементов в тканях характерно для действия световых излучений. Наиболее универсальным является температурный эффект. Хотя тепловой эффект при действии ряда физических факторов явно и не возникает, но обязательно проявляется на конечном этапе трансформации энергии, не влияя существенно на химические процессы и усвоение энергии организмом.
