Биопотенциал как характеристика живой материи

Размещено на http://www.allbest.ru

ТЕМА: Биопотенциал как характеристика живой материи

Фундаментальным свойством живой ткани является способность находиться в состоянии неравновесной электрической поляризации, мерой которой служит биоэлектрический потенциал.

Биоэлектрические потенциалы или биопотенциалы - электрические потенциалы, возникающие в тканях и отдельных клетках живых организмов. Биопотенциалы являются важнейшими факторами процессов возбуждения и торможения клеток.

История исследования биоэлектрического потенциала началась в XVIII в. с изучения природы «удара», наносимого некоторыми рыбами, имеющими электрические органы. Так было получено первое научное обоснование существования «животного» электричества. В это же время итальянский анатом и физиолог Л. Гальвани (L.Galvani) приступил к исследованию биопотенциалов на других объектах. Научный спор между ним и физиком А. Вольта (A. Volta) о природе «животного электричества» завершился открытием нового принципа получения электрического тока с помощью гальванического элемента. В 1837 г. итальянский физик К. Матеуччи (C. Matteucci) в экспериментах на животных впервые выполнил прямые измерения биопотенциалов с помощью гальванометра. Э.Г. Дюбуа-Реймон (E.H. Du Bois-Reymond), немецкий физиолог, первым начавший систематическое изучение биоэлектрических потенциалов, в 1848 г. показал, что между внутренним содержимым клетки и окружающей ее жидкостью существует стандартная разность потенциалов - мембранный потенциал. Значение последнего в покое закономерно изменяется при возбуждении клетки. Дж. Бернштейн (J. Berenstein) впервые (1868 г.) проанализировал колебания потенциала, которые возникают при распространении возбуждения по нервному волокну и длятся тысячные доли секунды (потенциал действия). Русский биолог Н.Е. Введенский в 1883 г. использовал телефон для регистрации разрядов, сопровождающих нервные импульсы.

Применение в физиологических экспериментах электронно-усилительной техники и безынерционных осциллографов (1930-е -1940-е годы) связано с именами американских физиологов Дж. Н. Бишопа (G.H. Bishop) и Нобелевских лауреатов Дж. Эрлангера (J. Erlanger) и Г.С. Гассера (H.S. Gasser). Изучение биопотенциалов отдельных волокон и клеток стало возможным благодаря разработке методов введения в клетки измерительных микроэлектродов. Механизм регенерации биопотенциалов изучали на гигантских нервных волокнах кальмаров, оценивая их проницаемость для ионов Na⁺ и K⁺ в зависимости от мембранного потенциала. За расшифровку ионного механизма возникновения потенциала действия и разработку мембранной теории биопотенциалов (1947-1952 г.г.) английские физиологи А. Ходжкин (A.L. Hodgkin), А. Хаксли (A.F. Huxley) и Б. Кац (B. Katz) были удостоены Нобелевской премии. Результаты этих исследований составили научное обоснование применяемых в настоящее время электрофизиологических методов диагностики - электрокардиографии, электроэнцефалографии, электромиографии и др.

Д.Н. Насонов разработал фазовую теорию биоэлектрических потенциалов, основанную на представлении о протоплазме как о «фазе» по отношению к окружающей водной среде. Вследствие этого распределение носителей заряда между клетками и средой определяется растворимостью веществ в протоплазме, адсорбируемостью их на мицеллах и химическим связыванием с белковым субстратом.

Классическим объектом исследования ионной природы биопотенциалов являются крупные клетки водорослей. Еще в 1882 г. Дюбуа-Реймон установил с их помощью общность биоэлектрических явлений у животных и растений. Вначале объектами изучения были растения, обладающие ростовыми движениями. Затем индийский биофизик Дж. Боус (J.Ch. Bose) установил, что биопотенциалы и электрические ответы на раздражители присущи всем растениям. Сконструированные им чувствительные самопишущие гальванометры позволили зарегистрировать электрические реакции растений на физические и химические воздействия.

В начале 1990-х в МГУ изучали электрические свойства симпласта высших растений - ткани в виде слившихся клеток, не имеющей клеточных стенок. Исследование электрических «ответов» растений на механические и тепловые повреждения, регенерацию корня, стебля и листьев показало, что механизм распространения электрических сигналов по нервному волокну и симпласту одинаковы.

Электрическая поляризация обнаружена в большинстве биополимеров - белках, включая ферменты, полисахаридах, полинуклеатидах. Поляризация вызвана направленной ориентацией и неравномерным распределением в биополимерах диполей, примесей и дефектов, и кроме того - ионов, обеспечивающих собственную и примесную проводимость биополимеров, а также электронов и структурированной воды, связанной с макромолекулами.

В начале 1960-х на стыке квантовой химии и молекулярной биологии возникла квантовая биохимия. Посредством квантовых расчетов она обеспечила переход от простейших представлений о составе, расположении и пространственной локализации атомов в органических молекулах к оценке распределения в них электронной плотности, энергетическим характеристикам, а затем к связи взаимодействия заряженных частиц и биологической функции органических соединений.

Терминология и основные закономерности изменения биоэлектрических потенциалов как фундаментальной характеристики живой материи кратко изложены ниже.

Потенциал покоя (U_r) - разность потенциалов между цитоплазмой и внеклеточной жидкостью, существующая у живых клеток в состоянии физиологического покоя. Он возникает из-за неодинаковой концентрации ионов K⁺, Na⁺ и Cl^- по обе стороны клеточной мембраны и ее неодинаковой проницаемости для этих ионов. У большинства клеток U_r создается диффузией ионов K⁺ из цитоплазмы наружу. В скелетных мышечных волокнах U_r поддерживается благодаря диффузии ионов Cl^- из наружной среды в цитоплазму. Диапазон измерения U_r в нервных и мышечных волокнах составляет 60-90 мВ. Внутренняя сторона мембраны обычно заряжена отрицательно относительно наружной. Прохождение через клеточную мембрану электрического тока и нестабильность ее ионной проницаемости вызывают изменения U_r.

Уменьшение U_r называется деполяризацией. Пассивная деполяризация возникает при прохождении через мембрану (из клетки) слабого тока, не вызывающего изменения ионной проницаемости мембраны. Активная деполяризация развивается при увеличении проницаемости мембраны для ионов Na⁺ или при ее снижении для ионов K⁺. Длительная деполяризация мембраны ведет к инактивации (инертности, пассивности) натриевых каналов и повышению калиевой проницаемости. В результате этого происходит снижение или полное исчезновение возбудимости клетки.

Увеличение U_r называют гиперполяризацией. Пассивная гиперполяризация имеет место, когда через мембрану проходит электрический ток из наружной среды в клетку, активная - при повышении проницаемости мембраны для ионов K⁺ и Cl^-. Локальная гиперполяризация мембраны происходит при активации ионных каналов физиологически активным веществом, которое выделяется из нервного окончания при его возбуждении. биоэлектрический потенциал живой материя диагностика

Потенциал действия (U_a) быстрое колебание (spike) мембранного потенциала, возникающее при возбуждении нервных и мышечных клеток. Он появляется при достижении сигналом-раздражителем некоторого порогового значения, превышение которого не влияет на амплитуду и длительность U_a. Причина возникновения U_a - активация электровозбудимых ионных каналов. В нервных и скелетных мышечных волокнах восходящая фаза U_a связана с повышением проницаемости мембран для ионов Na⁺. Поток последних внутрь клетки по открытым каналам приводит к быстрой перезарядке клеточной мембраны. Ее внутренняя сторона, заряженная отрицательно при U_r, во время пика U_a приобретает положительный заряд. Следующие за достижением пика U_a инактивация Na⁺ каналов и активация K⁺ каналов приводят к падению U_a. Его восстановлению до исходной величины предшествуют следовые деполяризация или гиперполяризация мембраны. Длительность U_a составляет 0,1-3,0 мс в нервных и скелетных мышечных волокнах и 10-100 мс в клетках сердечной мышцы.

Рефрактерность - снижение возбудимости клеток, сопровождающее возникновение U_a. После достижения пика U_a возбудимость полностью исчезает (абсолютная рефрактерность). Падение U_a обусловливает восстановление возбудимости клеток до исходной величины в течение нескольких мс (относительная рефрактерность). Рефрактерность - один из факторов, определяющий максимальный ритм пульсации клетки. Лекарственные препараты, удлиняющие период относительной рефрактерности (антиаритмики) уменьшают частоту сердечных сокращений и устраняют нарушения ритма работы сердца.

Теоретические представления о механизмах возникновения и трансформации мембранного потенциала, основанные на простой модели двойного электрического слоя, постоянно развиваются. Усовершенствованные модели учитывают: неоднородность диэлектрических свойств по толщине мембраны; градиенты внутриклеточных электрических полей; влияние полей, индуцированных диполями пептидных связей в мембранных белках; наличие на поверхности клетки катионообменного слоя; параметры индуктивности мембраны. Разрабатываются подходы, позволяющие при расчетах биопотенциалов принимать во внимание метаболизм клеток, ионные потоки в клетку, из нее и за ее пределами, структурные изменения мембраны и цитоплазмы и др. Биоэлектрические потенциалы, спонтанно возникающие в живых организмах, обусловливают проявление последними биоэлектретного эффекта.

Электрические поля в медицине. Биопотенциалы характеризуют выполнение клеточными мембранами двух противоположных функций: барьерной, обеспечивающей защиту клетки от чужеродных веществ, и транспортной, которая способствует поступлению в клетку веществ, необходимых для ее жизнедеятельности. Опыт применения в медицине электрических полей свидетельствует, что направленное регулирование этих функций биопотенциалов помогает в диагностике заболеваний, доставке лекарств в больные органы, физиотерапевтическом лечении и др.

Методы диагностики заболеваний, основанные на регистрации биопотенциалов, разработаны для большой группы органов, обладающих мощным биопотенциалом. В теории биополя органы моделируют в виде трехмерных анизотропных проводников со специфичным распределением биопотенциалов. Каждый орган характеризуется присущим только ему удельным электрическим сопротивлением, областям нулевого потенциала и точек с высокими (1-10 мВ) абсолютными значениями отрицательного и положительного биопотенциалов.

Самым известным и популярным способом биополевой диагностики является электрокардиография - метод функционального исследования сердца, основанной на регистрации кинетических зависимостей его биопотенциалов. Электрокардиограмму, т.е. кинетическую кривую разности потенциалов электрического поля сердца при его сокращениях, снимают с помощью специальных приборов. Электрокардиоскоп фиксирует показатели активности сердца с помощью электронно-лучевой трубки. Электрокардиофон преобразует биопотенциалы сердца в звуковые сигналы. Для диагностики нарушений ритма и проводимости сердца, выявления дефектов межпредсердной и межжелудочковой перегородок используют более изощренные методы. Интракардиальная электрография регистрирует зависимость биопотенциалов сердца от времени с помощью электродов, размещенных в стенках его полостей. Внутриполостная электрограмма сердца - кинетическая кривая электрического поля сердца, регистрируемая с помощью электродов, которые вводят в полости сердца по кровеносным сосудам.

Разработана обширная группа методов диагностики функционального состояния головного мозга. Методом электроэнцефалографии осуществляют графическую запись биопотенциалов мозга во времени. С помощью электроэнцефалоскопии биопотенциалы разных участков мозга фиксируют на экране осциллоскопа в виде совокупности точек, изменяющих свою яркость и размеры. Электроэнцефалофония основана на преобразовании инфразвуковых колебаний биопотенциалов в колебания звуковой частоты. В ходе хирургических операций применяют электрокортикографию - метод исследования коры полушарий головного мозга путем регистрации ее биопотенциалов с помощью электродов, которые фиксируют на определенных участках коры. Методом электросубкортикографии регистрируют биопотенциалы подкорковых структур головного мозга с помощью введенных в них электродов.

Состояние нервной системы диагностируют методом электронейрографии, регистрирующим изменения во времени потенциалов действия (U_a) периферических нервов.

Для диагностики заболеваний желудочно-кишечного тракта разработаны следующие методы. Электрогастрография предназначена для исследования моторной деятельности желудка путем регистрации его биопотенциалов во времени. Электроинтестинография - аналогичный метод диагностики кишечника. Биопотенциалы различных отделов желудочно-кишечного тракта идентифицируют по частоте их колебаний (0,1-0,3 - для тонкой и 0,015-0,030 Гц - для толстой кишок).

В офтальмологии методы регистрации биопотенциалов используют для исследования нистагмов - непроизвольных ритмических двухфазных (с быстрой и медленной фазами) движений глазного яблока. Электронистагмография - метод исследования нистагма на основе графической регистрации биопотенциалов глазного яблока. Методом электроокулографии изучают биопотенциалы глазодвигательных мышц и наружных слоев сетчатки. Электроретинография позволяет регистрировать биопотенциалы сетчатки, возникающие при световом раздражении глаза.

Функциональная диагностика мышечной системы в настоящее время невозможна без электромиографии - метода графической регистрации биопотенциалов скелетных мышц. С помощью кинетических зависимостей биопотенциалов - миограмм - измеряют время и амплитуды колебаний потенциалов, оценивая активность мышц. Электромиомастикациография - одновременная графическая регистрация биопотенциалов жевательных мышц и движений нижней челюсти.

Компьютерная электроструктурография и компьютерная электротопография - методы электроизображения структурно-функционального состояния внутренних органов человека. Игольчатые (нетравматические и безболезненные) электроды охватывают тело человека в исследуемом анатомо-топографическом сечении. Пропуская высокочастотный (120 кГц) электрический ток (напряженность поля 10 В/см), регистрируют асимметрию активных (т.е. определяемых биопотенциалами) и реактивных (возникающих в ответ на токовый сигнал) электрических характеристик. Степень асимметрии оценивают с помощью диагностической компьютерной программы, которая позволяет определить патологические изменения в органах и диагностировать заболевания.

Кожно-гальванические реакции (КГР) человека на электрический сигнал зависят от распределения его биоэлектрических потенциалов, состояния эпидермиса и потовых желез. Амплитуда, полярность и форма КГР чувствительны к поражениям нервной системы и заболеваниям внутренних органов. Аналогичную информацию можно получить методом электропунктурной диагностики, основанной на измерении электрического сопротивления биологически активных точек кожи.

В пластической микрохирургии для неинвазивного in situ (т.е. в месте нахождения) определения жизнеспособности мягких тканей применяют метод электромагнитного КВЧ-излучения. Разница в амплитуде и фазе КВЧ-излучения, отраженного от отмирающих участков ткани (U_a=0), по сравнению со здоровыми коррелирует со степенью развития некроза.

Регулируемая доставка лекарств является актуальной проблемой медицины. Лекарственные средства состоят из двух основных частей - активного лекарственного вещества (ЛВ) и компонентов лекарственной формы (ЛФ). Последняя обеспечивает удобное для применения состояние и благоприятные условия для действия ЛВ в организме. Традиционные ЛФ - таблетки, капсулы, мази, растворы для инъекций - не оптимальны по этому критерию. Они не всегда позволяют доставить ЛВ в ту часть организма, где оно должно оказать лечебное действие. Современная тенденция отводит ЛФ функции системы для длительной и непрерывной подачи ЛВ по заданной программе в «мишень» - больной орган. Многие элементы такой системы состоят из полимеров, поэтому новое поколение ЛФ называют макромолекулярными терапевтическими системами (МТС). Они были созданы А. Заффарони (A. Zaffaroni) с сотрудниками на фирме «Alza» (США) в 1970-х как противоукачивающие, антиангинальные и гипотензивные средства 15. Затем были разработаны МТС для лечения диабета и химиотерапии в онкологии, обладающие длительным действием.

Традиционные ЛФ обеспечивают неравномерное поступление ЛВ в организм. Большинство современных ЛВ активно участвуют в метаболизме, поэтому их концентрация в крови быстро падает, обусловливая необходимость в новой дозе лекарства. Пилообразный график С = f(t) (кривая 1) неоптимален с позиций терапии хронических заболеваний. Предпочтительнее - равномерное выделение ЛВ из МТС в течение заданного времени (2) или выброс повышенной дозы ЛВ с переходом на режим высвобождения лекарства из МТС с постоянной или уменьшающейся скоростью (3).

Задачу регулируемого поступления ЛВ в организм по заданной программе решают с учетом или активным использованием биоэлектрических потенциалов. В настоящее время развиваются два таких направления.

Во-первых, биопотенциалы являются фактором, обусловливающим регулируемое выделение ЛВ из МТС. Последнее происходит при разрушении (растворении или биодеструкции) полимерного каркаса МТС или при изменении системы удержания ЛВ в полимерном носителе. Ионы ЛВ могут удерживаться в МТС силами электростатического притяжения к полимерному каркасу, несущему заряд противоположного знака. В гидрогелевых МТС ЛВ находятся в трехмерной сетке макромолекул гидрофильных полимеров, изменяющей свои параметры при набухании гидрогеля. Мембранные МТС представляют собой резервуар для ЛВ, стенками которого служит мембрана, контролирующая скорость диффузии ЛВ из резервуара. Проницаемость мембраны регулируется путем изменения ее зарядового состояния или по другим механизмам. К мембранным МТС относятся микрокапсулы и липосомы. Микрокапсулы - миниатюрные (0,1-100 мкм) МТС с оболочками из полиэлектролитов. Липосомы - содержащие ЛВ микрорезервуары с моно- или полиламеллярной фосфолипидной оболочкой. Ламель представляет собой мембранную двухслойную структуру из ориентированных (а следовательно - поляризованных) молекул фосфолипидов. Процессы регулирования структуры полимерных компонентов МТС, приводящие к высвобождению ЛВ, происходят в биополе организма и существенно зависят от распределения в нем биоэлектрических потенциалов. Мы вынуждены опустить детали механизмов регулирования, индивидуальные для каждого вида МТС, т.к. эта интересная тема выходит за пределы настоящей книги.

Во-вторых, микро-МТС, циркулирующие в кровеносной или иной системе организма и несущие поляризационный заряд, сорбируются клетками-мишенями, имеющими биопотенциал противоположного знака. Затем полимерная оболочка микрочастиц поглощается клетками (фагоцитоз) и ЛВ освобождается. Биополе клеток стимулирует сорбцию полярных молекул ЛВ на клеточных мембранах.

Размещено на Allbest.ru