Спосіб оцінки електричних параметрів клітинних мембран біологічних тканин при механічних впливах

Реферат: Спосіб оцінки електричних параметрів клітинних мембран біологічних тканин при факторних впливах включає створення фактору впливу на біологічну тканину з наступним виміром основних електричних параметрів післядії. Зразок біологічної тканини піддають механічному впливу з наступним вимірюванням діелектричної ємності біологічного зразка. UA 86128 U (12) UA 86128 U UA 86128 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до медицини, а саме до експериментальної медицини, і може бути використаною для оцінки змін електричних параметрів клітинних мембран біологічних тканин при механічних впливах. Вивчення ультраструктурної організації субклітинних структур показало, що обмеження елементарної мембранної органели повинні прибувати під дією сил поверхневого натягу в основному сферичної форми. Разом з тим, існує поняття цитоскелету, тобто структур, які підтримують форму, характерну для даного типу клітин. Незважаючи на наявність сил поверхневого натягу, які прагнуть надати внутрішньоклітинним органелам сферичну форму, можна навести безліч прикладів, коли субклітинні структури не зберігають правильну форму. Встановлено, що різні патологічні стани супроводжуються деформаціями внутрішньоклітинних мембран, що дозволяє припустити існування сил, переважаючих за величиною сили поверхневого натягу [Джон И., Раш К., Сью Хадсан, Марк X. Эллисман. Ультраструктура ацетилхолиновых рецепторов в нервно-мышечном соединении млекопитающих /Под ред. Р.У. Штрауба, Л. Болис. -М.: Медицина, 1983. - 368 с.]. Патологічні процеси в клітинах супроводжуються деформаціями як клітинних, так і внутрішньоклітинних мембранних структур. Існуючі методи електрохімічних вимірювань, що застосовуються для дослідження електричних характеристик біологічних мікрооб'єктів (бактерії, клітини, внутрішньоклітинні мембрани і т.п.), ефективні якщо об'єкт вимірювання досить статичний і забезпечені складні технічні вимоги та умови калібрування первинних електрохімічних перетворювачів. Такі вимірювання зручні і дають непогані результати, якщо біологічний матеріал піддають факторним впливам, що створюють ефект тривалої післядії (наприклад, електричне або хімічне збудження клітинних структур) [Пат. № 2190994, RU, МПК А61Н39/02. Способ и устройство для измерения параметров биологической ткани /Гусев В.Г., Мирин Н.В., Мирина Т.В.; Уфимский государственный авиационный технический университет. - З. № 98108192/14; заявл. 21.04.1998; опубл. 20.10.2002]. Даний спосіб оцінки електричних параметрів клітинних мембран біологічних тканин є найбільш близьким до того, що заявляється, за технічною суттю і результатом, який може бути досягнутим, тому його вибрано як найближчий аналог. В основу корисної моделі поставлено задачу розширення арсеналу способів оцінки електричних параметрів клітинних мембран біологічних тканин шляхом оцінки цих параметрів при механічних впливах. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі оцінки електричних параметрів клітинних мембран біологічних тканин при факторних впливах, який включає створення фактору впливу на біологічну тканину з наступним виміром основних електричних параметрів післядії, згідно з корисною моделлю, зразок біологічної тканини піддають механічному впливу з наступним вимірюванням діелектричної ємності біологічного зразка. Технічний результат корисної моделі, а саме розширення арсеналу способів оцінки електричних параметрів клітинних мембран біологічних тканин при механічних впливах, обумовлений синергізмом ознак способу, що заявляється. Теоретичною передумовою способу послугував той факт, що встановлена невідома раніше властивість біологічних клітинних і субклітинних систем тваринного походження здійснювати енергозабезпечення біосинтезу органічних речовин за допомогою генерування, утилізації та накопичення п'єзоелектричної енергії, яка обумовлена перетворенням механічної енергії деформації рідинно-кристалічних структур в п'єзоелектрику. Спосіб виконують наступним чином: створюють фактор механічного впливу на біологічну тканину з наступним виміром основних електричних параметрів післядії. В зразку біологічної тканини вимірюють діелектричну ємність. Ефективність способу доказана експериментально. Як об'єкт досліджень використовувалися зразки крові, об'ємом 1,5-6,0 мл, які з точки зору електричних властивостей розглядалися як комплексна трирівнева макроструктура, електрична провідність якої на 70 % визначається присутніми в плазмі крові солями, наприклад, хлоридом натрію (перший рівень), на 25 % - білками плазми (другий рівень) і на 5 % - клітинами крові (третій рівень). Останній рівень, на відміну від двох перших, включає діелектричну (ємнісну) складову, зміна характеристик якої несе інформацію про механічні факторні впливи на мембрани клітин крові. З точки зору електричних властивостей зразок клітин крові, як біологічних макроструктур, розглядався у вигляді паралельного ланцюга з ємності "С" і резистора (опору) "R". Такий еквівалентний електричний ланцюг широко застосовується для опису моделей біологічних об'єктів, аж до клітинного рівня, оскільки характеризує електричні властивості конденсатора з 1 UA 86128 U 5 10 великими втратами активної потужності в його діелектрику. При змінному струмі погіршення діелектричних властивостей діелектрика такого конденсатора призводить до зменшення кута зрушення між вектором прикладеної до конденсатора напруги і вектором струму, який протікає через діелектрик. Цікавою особливістю такої моделі є те, що її діелектричні (ізоляційні) властивості визначаються більшою мірою третім, клітинним, фактично мембранним рівнем моделі, а іонна провідність тільки першим і другим рівнями. Для вимірювання ємності "С" і активного опору "R" зразка крові використовувався міст змінного струму на частоті f  кГц . Такий міст реалізує метод порівняння з зразковими ємністю CN та опором RN і дозволяє додатково вимірювати тангенс кута діелектричних втрат 1 , RC де   2f - кутова частота напруги на зразку (  =6280 рад/сек). Підключення зразка з клітинами крові здійснювалося каліброваними проводами, які з'єднують титанові пластини плаского конденсатора, між якими знаходилася досліджувана кров. Клітини крові виконували функції діелектрика. Площа S пластин такого конденсатора і відстань 3 d між ними забезпечували об'єм V крові, рівний 6 см . Оскільки ємність конденсатора з плоскими пластинами дорівнює  S , C O d де: O - електрична постійна ( O - const);  - відносна діелектрична проникливість діелектрика; S  const, d  const, то будь-яка зміна  лінійно пов'язана з зміною ємності "С". При факторному впливі на зразок вимірювання мостом змінного струму ємності C і її відносної зміни  C під впливом використовуваного в експерименті фактора дає можливість tg  15 20 25 визначення відносного змінення   діелектричної проникності, причому C 100 % , C де C - абсолютна величина зміни ємності зразка під впливом фактора, що впливає. У ході експерименту проводилися багатократні вимірювання початкових ємності (CO ) і опору (RO ) зразка з кров'ю (до впливу фактора "звуковий тиск") і кінцевих CK і RK через 10 2 секунд після звукового впливу. Інтенсивність звукового тиску становила не менше 10-4 Вт/м . Діапазон звукових частот (9501050) Гц. У таблиці представлені усереднені результати вимірювання цифровим мостом змінного струму, ємності й активного опору зразка з кров'ю. Тут же наведені значення відносних змін   і   відповідно діелектричної проникності і опору зразка з кров'ю після звукового впливу на C    30 35 зразок, яке подавалося періодично, з інтервалом 30 сек. Моменти часу подачі звуку позначені по рядках, як t1 t5 . ,..., Таблиця Зміни електричних параметрів клітин крові під впливом фізичних факторів Момент часу звукового впливу t1 t2 t3 t4 t5 40 Ємність, пФ Опір, Ом Відносна зміна, % CO CK ДС RO RK ДR O  48,2 46,7 42,4 41,6 40,6 47,3 45,8 42,0 41,2 40,5 -0,9 -0,9 -0,4 -0,4 -0,1 336,7 335,57 327,33 322,26 321,34 336,02 335,35 326,69 321,95 321,23 -0,68 -0,22 -0,64 -0,31 -0,11 -1,87 -1,93 -0,94 -0,96 -0,27 -0,202 - 0,066 -0,196 -0,096 -0,084 Дані, наведені в таблиці свідчать про те, що вплив звукового тиску призводить у всіх випадках до: 2 UA 86128 U а) погіршення діелектричних властивостей зразка (знижується ємність "С"); б) підвищення іонної провідності зразка (зменшується активний опір "R"). Причому відносна зміна   (зниження діелектричної проникності) більше (в середньому в 10 разів), ніж зміна   Це означає, що ефект від погіршення діелектричних властивостей зразка в 5 10 15 10 разів більш значущий, ніж ефект від збільшення іонної провідності цього ж зразка, коли на останній впливає звуковий тиск. Подібні ефекти були отримані, коли зразок з клітинами крові піддавався механічним вібраціям амплітудою 0,2 мм i частотою 1000 Гц. Значне перевищення   над   свідчило про вплив механічних впливів на ємність клітинних мембран, особливо якщо врахувати, що внесок електропровідності мембран в загальну електропровідність зразка - не більше 5 %. Збільшення, хоча і невелике, іонної провідності пояснюється ефектом механічного "струшування" позитивних іонів з адсорбційного шару клітинних мембран. Зменшення ж ємності зразка, по більшій мірі, пов'язано з додатковою поляризацією головок ліпідів, які утворюють біліпідний шар клітинної мембрани. Така поляризація цілком можлива, оскільки рідкокристалічна структура ліпідів допускає появу п'єзоефекту внаслідок механічних зміщень, скручування або деформації подібних молекул. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 Спосіб оцінки електричних параметрів клітинних мембран біологічних тканин при факторних впливах, який включає створення фактору впливу на біологічну тканину з наступним виміром основних електричних параметрів післядії, який відрізняється тим, що зразок біологічної тканини піддають механічному впливу з наступним вимірюванням діелектричної ємності біологічного зразка. 25 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3