Аналитическое моделирование физиологических свойств эритроцитов в потоках движущейся по сосудам крови

Актуальность темы

В середине нашего столетия Александр Леонидович Чижевский сформулировал и частично доказал ряд гипотез о структурной организации движущейся in vivo крови и электродинамических свойствах её Форменных элементов. Его представления о движущейся крови положены в основу настоящего исследования [75,76],

Механические и электродинамические характеристики эритроцитов в основном определяют характер их движения по кровеносным сосудам и способность выполнять свои Функции в тканях и органах [24,29,42,46,58,75,76].

Форма эритроцитов — обтекаемая (дискотороидальная, эллипсоидная) и необтекаемая (пойкилоцитная) значительно влияет на кинетику крови в целом, которая определяется уровнем обмена веществ и энергии в тканях [24] .

Механические и электродинамические характеристики эритроцитов определяют не только их форму и организацию в потоках крови, но и структурно-Функциональную полноценность (кислород транспортную, а главное, детокоикационную Функции),

Электромеханические свойства эритроцитов обусловливают величину «электростатического распора» («электросмазки!?) между ними, стенкой сосуда и другими форменными элементами крови, что может определять реакцию потока крови на действие внешних электромагнитных полей [76,114].

К началу данного исследования был выполнен ряд работ, описывавших механику движущейся крови in vitro и не учитывавших электрическое взаимодействие её форменных элементов с эндотелием сосудистой стенки Е83,1053&bdquoИзвестны единичные работы, посвященные структурной организации и форме эритроцитов в потоке движущейся крови, ограниченно использующие аналитическое описание физиологических процессов в ней [47,74,75,1143.

Исследования, направленные на аналитическое моделирование физиологических процессов в эритроцитах при их движении по сосудам, являются фундаментальными и решают ряд проблем, важных для биологии, физиологии и медицины, что обусловливает актуальность данной темы, Они выполнены в рамках Государственной научно-технической программы «Здоровье населения России» (02," Экологически обусловленные заболевания и профилактические программы"), а также военн-медицинской проблемы «Влияние на организм неионизирующих излучений и разработка медицинских требований к защите от них» .

Цель и задачи работы. Цель работы заключается в исследовании закономерностей движения крови по сосудам посредством аналитического описания и экспериментального исследования механических (вязко-упругих), а также электродинамических свойств движущихся в потоках крови эритроцитов,

Для достижения указанной цели решены следующие задачи:

1, Аналитическое описание механических и электродинамических свойств эритроцитов в потоках движущейся по сосудам крови,

2, Экспериментальное исследование механических и электродинамических свойств эритроцитов в потоках движущейся по сосудам крови,

3, Сопоставление результатов аналитических и экспериментальных исследований механических и электродинамических свойств эритроцитов в потоках движущейся по сосудам крови.

Научная новизна. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден эффект ротационной диффузии и неспецифической сорбции компонентов плазмы крови движущимися по магистральным сосудам безъядерными эритроцитами.

Получены в эксперименте данные, подтверждающие основные положения гипотезы А, Л. Чижевского, согласно которой эритроциты в магистральных сосудах организованы в радиально-кольцевые системы.

Установлены возможные механизмы появления у движущихся клеток крови (эритроцитов) нескомпеноировзнных отрицательных электрических зарядов.

Разработана методика экспериментального доказательства неспецифической сорбции экзогенного коллоида движущимися по магистральным сосудам безъядерными эритроцитами.

Доказано экспериментами, что потоки движущейся по сосудам животного крови являются конвекционными электрическими токами, создающими в окружающем их пространстве электромагнитные поля.

Разработаны методы регистрации реакций потоков движущейся in situ крови на действие постоянных и низкочастотных электромагнитных полей.

Материалы настоящего исследования могут явиться основой для открытия нового теоретике-экспериментального направления дальнейшего изучения электромеханических свойств крови животных и человека.

Практическая значимость работы, В процессе работы над материалами диссертации были оформлены две заявки на изобретения:

— способ очистки жидкостей и газов от взвесей;

— ротационный Фильтрующий элемент,

В основу изобретений положены обнаруженные в нашей работе свойства движущихся в потоках крови безъядерных эритроцитов. На обе заявки получены положительные решения о выдаче патентов N 93 016 177/26 (19 560) от 24,11,1994 г, и N 93 016 176/26 (19 559) от 15,01,1996 г, из ВНИЙГПЗ, В настоящее время они используются при создании систем очистки воды от взвесей для комплексов мойки автотранспорта замкнутого типа, Эти работы ведутся в рамках Санкт-Петербургской программы «Чистый город» .

Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе при преподавании биошизики, биомеханики и Физиологии в Санкт-Петербургских государственных Техническом и Электротехническом университетах,

Полученные результаты, описывающие механику и электродинамику движущихся в потоке крови in situ безъядерных эритроцитов, используются в интересах практической медицины для разработки новых технологий диагностики и лечения заболеваний человека, связанных с нарушениями гемодинамики, а также используются для создания перспективной диагностической и физиотерапевтической аппаратуры,

Проведенное моделирование может найти применение в технике, как бионическое решение ряда ее проблем.

Публикации и апробация работы, По теме диссертации выполнен в Военно-медицинской Академии отчет НИР N 26−94-В7 «Исследование механизмов влияния на организм электромагнитных излучений низкочастотного диапазона», опубликованы семь научных работ, в том числе две статьи в?'Физиологическом журнале им, И, М. Сеченова,!} РАН, получены два положительных решения о выдаче патентов на изобретения.

Результаты выполненных исследований были доложены и обсуждены на всероссийской и международной конференциях: «Ньютон и проблемы механики твердых и деформированных тел,» Санкт-Петербург, Россия, март 1993 г.," Зколого-физиологические проблемы адаптации,", Москва, Россия, 1994 г, а также на международном симпозиуме по «Электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии», Санкт-Петербург, Россия, июнь 1995 г, и на семинарах в Институте Физиологии РАН им. И, П, Павлова, 1994 г, 1997 г,

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка использованных источников, приложения и содержит 134 страницумашинописного текста, 37 рисунков и 4 таблицы, Библиография к ней составляет 114 литературных источников,

выводы

Эритроциты в процессе движения по магистральным сосудам Фильтруют плавму крови за счет вращения и сорбируют ее компоненты: крупноднспероные — на внешней стороне плазмолеммы, а мелкодисперсные — внутри эритроцита (на периферии тороида).

2, Эритроциты, сорбировавшие экзогенные частицы «магнитной жидкости1перемещаются по градиенту магнитного поля,

3, Эритроциты, движущиеся относительно эндотелия, приобретают неокомпеноированный отрицательный электрический заряд, что придаёт потоку крови свойства конвекционного электрического тока — «мишени» внешних электромагнитных полей, которые могут изменить скорость кровотока, повернуть его вспять, вызвать перемещения капиллярных петель в тканях,

4, Эритроциты, движущиеся по магистральным сосудам, организованы в радиально-кольцевые системы, о чем свидетельствует совпадение расчетных и измеренных значений частот их собственных колебаний,

5, Низкочастотное импульсное магнитное поле замедляет скорость оседания эритроцитов (отрицательно заряженных частиц) в стеклянном капилляре только при наличии сорбированных на стенках капилляра клеток крови за счет появления у оседающих эритроцитов тангенциальной составляющей вектора скорости.

6, Экспериментальное исследование подтвердило основные положения нашего аналитического описания механических и электродинамических свойств эритроцитов в потоках движущейся крови.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования вскрывают ряд механизмов поведения эритроцитов в потоках движущейся крови. Они, прежде всего, указывают на неотделимость друг от друга электрических и механических процессов, имеющих место в движущейся in situ крови. Пренебрежение одним из них ведет к серьезным теоретическим заблуждениям, вызывающим трудности и ошибки в решении ряда насущных практических задач современной биологии и медицины.

Исследования реологических свойств крови в настоящее время проводятся в основном in vitro без учета её электрофизических свойств и времени, прошедшего о момента ее забора,

В самом деле, при извлечении крови в «пробирку» теряется влияние на неё эндотелия кровеносных сосудов, который, как выяснилось, сильно влияет на электрогенные свойства крови. Далее, с течением времени, in vitro внутренний заряд эритроцитов уменьшается вследствие невосполнимого расхода клетками своих энергореоуроов,

В настоящем исследовании удалось уточнить модель структурной организации крови Ф, Л, Чижевского, Обнаружен эффект ротационного масооперенооа компонентов плазмы крови через вращающийся эритроцит, а также вызванный этим эффект неспецифической сорбции эритроцитами ряда компонентов плазмы. На внешней стороне плазмолеммы эритроцита в областях всасывания сорбируются грубодиоперсные частицы плазмы, Внутри эритроцита, ближе к его периферии, сорбируются мелкодисперсные частицы,

В силу существования эффекта неспецифической сорбции вое множество циркулирующих в крови эритроцитов можно условно разбить на два подмножества. Подмножество эритроцитов, имеющих малые массы и невысокие скорости вращения, вероятно, выполняет газотранспортную функцию. Подмножество относительно крупных и массивных эритроцитов активно сорбирует компоненты плазмы крови, Активно фильтрующие эритроциты имеют форму дискотороида или ротатора, В соответствии с такой Функцией их можно назвать фильтроцитами.

Если процесс сорбции связан в основном с грубодиспероными частицами, то при извлечении эритроцитов in vitro высока вероятность образования минетных столбиков. Эффект неопецифичеокой сорбции, кроме того, создает условия для увеличения поверхности плазмолеммы фильтрующего эритроцита.

Стабильность коллоидной частицы в растворе, как известно, определяется соотношением между ее массой и энергией сил поверхностного натяжения, за счет которой на поверхности раздела фаз образуется стабилизирующий частицу двойной электрический слой. Эритроциты, как грубодиопероные частицы, имеющие большую массу, не могут быть стабилизированы в крови только за счет энергии сил поверхностного натяжения,

В материалах второй и четвертой глав качественно рассмотрен и экспериментально подтвержден механизм стабилизации эритроцитов в крови in situ. Так, показано, что движущиеся по сосудам эритроциты, благодаря взаимодействию их с эндотелием, приобретают нес-компенсированный отрицательный электрический заряд. Между одноименно заряженными клетками крови и клетками эндотелия появляются силы электростатического отталкивания (злектро-раопор, по Чижевскому), которые противостоят их агрегации. Образно говоря, возникающее в движении между клетками электрическое поле выполняет функцию электрораопора — «злектроомазки55, облегчающей течение крови,

В настоящем исследовании впервые рассчитаны и измерены некоторые параметры электромагнитного излучения, обусловленного электромеханическими колебаниями эритроцитов в потоке движущейся крови. Кроме того, показано, что сами потоки крови являются конвекционными электрическими токами, и следовательно источниками определенного электромагнитного излучения. Согласно законам электродинамики, они же выполняют функцию приемников соответствующих внешних электромагнитных полей.

Показано, что взаимодействие потоков крови in situ с импульсными низкочастотными электромагнитными полями вызывает механические перемещения сосудов с движущейся кровью в такт с изменениями этих полей. Резонансное поглощение эритроцитами движущейся крови внешних электромагнитных полей ведет к увеличению амплитуды их колебаний и может уменьшить текучесть крови.