Кавитация в суспензии клеток

При повышении интенсивности ультразвука до значений, когда в среде возникают механические усилия, сравнимые с прочностью клеточных мембран, начинается процесс разрушения клеток. Обычно появление значительных механических возмущений в жидкостях связано с возникновением в них стабильных и нестабильных газовых пузырьков, которые могут образоваться в воде и водных средах, если интенсивность ультразвука превышает порог кавитации.

Так, клетки одноклеточной водоросли Scandesmus Guadricanda начинают разрушаться при усредненной по пространству интенсивности, равной 0,2…0,3 Вт/см², при частоте 1 МГц, что соответствует порогу кавитации в водных суспензиях с небольшой концентрацией клеток. Скорость разрушения клеток увеличивается с увеличением интенсивности ультразвука. Число разрушенных в единицу времени клеток пропорционально числу кавитационных событий.

Свечение фотобактерий в суспензии или синтез интерферона лейкоцитами резко подавляется при возникновении ультразвуковой кавитации. Подавление кавитации каким-либо способом обычно защищает клетки от разрушения и даже от более тонких изменений.

Скорость разрушения амебы Actanamoeba castellanii уменьшается, если облучать импульсным ультразвуком клетки, суспендированные в растворе желатина, порог кавитации в котором из-за его большой вязкости значительно выше, чем в воде.

Этим же объясняется снижение скорости ультразвукового разрушения эритроцитов при увеличении их концентрации, вплоть до почти полной остановки гемолиза, если суммарный объем частиц в суспензии достигает 2%, что соответствует высоким значением эффективной вязкости среды.

Самого факта появления пульсирующих газовых пузырьков в среде еще недостаточно для разрушения клеток. Эффект наблюдается, если амплитуда пульсаций пузырьков возрастает до определенной величины. Величина эта различна для разных клеток, зависит от их формы и размера, а также прочности цитоплазматической мембраны и наличия цитоскелета.

Разрушение лейкоцитов в поле стабильных, пульсирующих с частотой 20 кГц пузырьков начинается при увеличении амплитуды колебаний до 8 мкм, высвобождение гемоглобина из эритроцитов — при 15…20 мкм. Очевидно, что эти эффекты обусловлены возникновением достаточно больших гидродинамических усилий вблизи колеблющегося пузырька, нарушающих целостность клеточных мембран.

При высоких частотах ультразвукового воздействия на суспензию клеток механизмы разрушения также имеют механическую природу. Пороговая интенсивность ультразвука, вызывающего гибель клеток, зависит как от частоты ультразвука, так и от типа клеток. Например, порог разрушающего действия ультразвука для клеток одной из популяций элодеи равен 75 мВт/см² и находится в области 0,65 МГц, а для двух других популяций элодеи гибельная для клеток минимальная интенсивность равна 180 мВт/см² (5 МГц).

Ультразвуковая дезинтеграция клеток получила широкое применение в биотехнологии, в биохимических и вирусологических исследованиях для выделения отдельных веществ или фрагментов клеток, а также в лабораторной диагностике для определения механической резистентности клеточных мембран (см. § 2.4).