ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.12.2021
Просмотров: 1008
Скачиваний: 3
Основи біофізики і біомеханіки
219
хвилі зменшується глибина проникнення випромінювання у тканину,
що викликає нагрівання лише поверхневих шарів.
Використання електромагнітних хвиль радіочастотного діапазону
у медичних цілях.
Об’ємний тепловий ефект ЗВЧ-, а також УВЧ-
випромінювання широко використовується в медицині. Фізіо-
терапевтичні методи, які засновані на використанні електромагнітних
хвиль ЗВЧ діапазону, залежно від довжини хвилі отримали дві назви:
мікрохвильова терапія
(частота – 2 375 МГц, довжина хвилі – 12,6 см)
і
ДЦ-терапія
(частота – 460 МГц, довжина хвилі – 65,2 см).
Первинна дія ЗВЧ хвиль
зумовлена
коливаннями іонів у розчинах
електролітів, а також атомів або молекул у полярних діелектриках
,
які викликаються змінним високочастотним електромагнітним полем
хвилі, що проникає всередину об’єкта. При цьому в одиниці тканини
виділяється кількість тепла, яка прямо пропорційна відносній
діелектричній проникненості тканини
ε,
круговій частоті
ω
і квадрату
інтенсивності електромагнітного поля
I
:
)
2
(
.
.
2
.
I
k
q
(8.4.3.)
ЗВЧ-хвилі слабко взаємодіють зі шкірою і жировою клітковиною, а
у м’язах і внутрішніх органах інтенсивно поглинаються. Тому м’язи і
внутрішні органи відчувають найбільше нагрівання при мікрохвильовій
терапії. Багато тепла виділяється в рідинах, які заповнюють різні
порожнини.
Нагрівання, яке викликане УВЧ- і ЗВЧ-випромінюванням, є
неоднорідним внаслідок неоднорідності самого організму. В деяких
місцях можуть з’являтися локальні перегрівання. Причиною цього
явища може бути виникнення стоячих хвиль у середовищі. Іноді
місцеве перегрівання може компенсуватися механізмами тепловіддачі.
Наприклад, поглинання випромінювання мембранами відбувається у 4
рази більш інтенсивніше, ніж оточуючими тканинами, однак поглинена
енергія майже зразу ж розсіюється в оточуюче мембрану середовище.
Найбільш чутливими органами є ті, котрі мають добру теплоізоляцію
і/або недостатнє кровопостачання, наприклад, внутрішні органи,
кришталик і склоподібне тіло ока.
Пухлини також погано постачаються кров’ю, ніж оточуючі
тканини, що затримує розсіювання тепла. Тому при ЗВЧ-опроміненні
пухлини нагріваються в більшій мірі, ніж здорові тканини. На цьому
засновано лікування онкологічних захворювань ЗВЧ-випромінюванням.
Комбінація ЗВЧ-опромінення з хіміо- і радіо-терапією дає добрі результати.
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
220
Сьогодні відомо, що тривале ЗВЧ-опромінення викликає гіпоксію
(знижений вміст кисню у тканинах), зниження працездатності,
підвищення втомлюваності організму, а також ряд інших зсувів,
особливо у нервовій і серцево-судинній системах. Дуже часто від схожих
симптомів страждає персонал фізіотерапевтичних кабінетів, теле- і
радіостанцій тощо.
§ 8.5. БІОЛОГІЧНА ДІЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО
ВИПРОМІНЮВАННЯ ОПТИЧНОГО ДІАПАЗОНУ ТА
ВИКОРИСТАННЯ В МЕДИЧНИХ ЦІЛЯХ
До електромагнітного випромінення оптичного діапазону відносять
видиме світло, інфрачервоне випромінювання і ультрафіолетове
випромінювання, охоплює електромагнітні хвилі з умoвними межaми
вiд 1 нм дo 1 мм.
Дія випромінення оптичного діапазону на біологічні системи
полягає у наступному:
під дією інфрачервоного випромінювання в організмі викликається
відчуття тепла;
під дією випромінювання видимого діапазону – в організмі
відбуваються зорові реакції, фотосинтез (утворення органічних сполук
за рахунок енергії світла), фототаксис (рух мікроорганізмів до світла та
від нього); фототропізм (повертання листя і стеблин рослин до світла
та від нього);
під дією ультрафіолетового випромінювання – в організмі
відбувається синтез вітаміну
D
, можливе виникнення еритеми
(почервоніння шкіри, яке викликане розширенням кровоносних судин
шкіри), загар шкіри (через утворення в шкірі пігменту меланіну), а також
канцерогенні прояви (утворення пухлин), здійснюється бактерицидний
ефект.
З усього діапазону електромагнітного випромінювання людина має
рецептори лише до інфрачервоного (терморецептори) і до видимого
випромінювання (зорові рецептори).
Процеси, що відбуваються в біологічних системах при впливі
випромінювання оптичного діапазону, називаються
фотобіологічними.
Виділяють наступні їхні стадії:
фотофізичну – поглинання кванта світла й перенесення енергії
збудженого стану;
фотохімічну – хімічні перетворення молекул;
фізіологічну – відповідь організму на випромінювання.
Основи біофізики і біомеханіки
221
Поглинання кванту випромінення оптичного діапазону призводить
до порушення молекули, а отже, до підвищення її реакційної здатності,
в результаті чого можуть відбуватися хімічні реакції, які були б
неможливі в темряві. Такі реакції називаються
фотохімічними,
а
продукти, що утворяться в них –
фотопродуктами
. Безпосередній
вплив світла на хімічну речовину найчастіше призводить до утворення
нестабільних продуктів, які в ланцюзі наступних реакцій перетворюються
на стабільні. Ці реакції, як правило, уже не вимагають дії світла.
В ультрафіолетовому й видимому діапазонах випромінювання
відбуваються π–π*- і
п
–π*- електронні переходи. Нагадаємо, що π – це
електрон, який бере участь в утворенні π -зв’язку, а
n
-електрон – це
незв’язаний
p
-електрон, який не утворює хімічного зв’язку, але здатний
переходити на збуджений рівень (π *). Тому в ультрафіолетовій і
видимій областях спектра інтенсивно поглинають хімічні сполуки, що
мають сполучені подвійні зв’язки й кільцеві групи, що володіють π -
електронною системою.
Чим більше в молекулі сполучених подвійних зв’язків
N,
тим більшою
є довжина хвилі
λ
, на яку доводиться максимум поглинання світла.
Приблизно цю величину можна визначити за наступною формулою:
,
2
h
l
c
m
(8.5.1.)
де
m
– маса електрона,
c
– швидкість світла;
l –
довжина одного елемента
ланцюга сполучених, подвійних зв’язків;
h
– постійна Планка.
Наприклад, максимуми поглинання ненасичених жирних кислот
приходяться на
λ
220 нм, а максимум поглинання ретиналя –
зсувається уже у видиму область.
Вплив ультрафіолетового випромінювання на біологічні об’єкти.
Залежно від дії на біологічні об’єкти, в ультрафіолетовому діапазоні
виділяють три зони:
А
-зона, або антирахітна (
= 400…315 нм), – викликає синтез
вітаміну
D
;
B
-зона, або еритемна (
= 315…280 нм), – викликає утворення
еритерми і сприяє синтезу пігменту меланіну, який поглинає кванти
світла і одночасно є антиоксидантом (антиоксиданти – це сполуки, які
зв’язують вільні радикали);
С
-зона, або бактерицидна (
= 280…200 нм), – викликає мутації,
канцерогенез, здійснює бактерицидний ефект; енергія випромінювання
цього діапазону (3,1-6,8 еВ) є достатньою для дисоціації та іонізації
молекул.
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
222
Ультрафіолетове випромінювання з
200 нм дуже сильно
поглинається, в тому числі і повітрям, тому його дія на біологічні
об’єкти звичайно не розглядається. Ультрафіолетове випромінювання
інтенсивно поглинається живими клітинами й практично не проникає
на глибину більш ніж 1 мм. У людини ультрафіолетові промені
поглинаються у шкіряних покривах. Тому безпосередній ефект
ультрафіолетового опромінення позначається саме на клітинах шкіри.
Через те, що коефіцієнти поглинання для ультрафіолету дуже
великі, то поглинена доза
D
приблизно дорівнює потужності
випромінювання
W,
яке
потрапило на одиницю площі шкіряного
покрову за час
t
:
D=W·t
(8.5.2.)
Хвилі різних довжин призводять до різного рівня ушкоджень.
Залежність фотобіологічного ефекту від довжини хвилі випромінення
називається
спектром дії.
Спектр дії можна побудувати як для
окремих молекул, так і для клітин (
рис. 8.5.1.
).
Рис. 8.5.1.
Спектри дії ультрафіолетового випромінювання:
1
–
розвиток еритеми шкіри у людини,
2
– ушкодження рослинної
клітини,
3
– інактивація ДНК
Відповідно до законів фотобіології, фотозміни в молекулі можуть
утворитися лише при поглинанні нею кванта випромінювання. Тому
Основи біофізики і біомеханіки
223
спектр дії за своєю формою збігається зі спектром поглинання тих
молекул, які відповідають за певну хімічну або фізіологічну відповідь.
Наприклад, спектр інактивації вірусу тютюнової мозаїки повністю
збігається зі спектром поглинання його інформаційною РНК. Через це
вважається, що інактивуюча дія ультрафіолету на цей вірус зумовлена
саме ушкодженням нуклеїнових кислот.
Біологічний ефект ультрафіолету передусім визначається змінами,
які він викликає у структурі білків, нуклеїнових кислот, а також
біологічних мембран.
Амінокислоти, що входять до складу білків, мають максимуми
поглинання в діапазоні довжин хвиль λ = 180…190 нм за рахунок
пептидних зв’язків. Крім того, ароматичні амінокислоти: фенідаланін,
тирозицин і триптофан мають допоміжні максимуми поглинання (λ
max
=
258, 280 й 285 нм відповідно) за рахунок ароматичних груп. Через те,
що опромінення ультрафіолетом (як природнє, так і штучне) найчастіше
відбувається при λ > 240 нм, та основний внесок у фотоушкодження
білків вносять саме ароматичні амінокислоти. Дія ультрафіолетового
випромінювання на білкові молекули здатна призвести до розриву
дисульфідних містків між поліпептидними ланцюгами до утворення
вільних радикалів
18
. Особливо ці ушкодження небезпечні, якщо торкають
активного центра фермента, що може викликати його інактивацію.
Поглинання ультрафіолету нуклеїновими кислотами зумовлене
наявністю у них пуринових і пиримидинових основ
(λ
max
=260 нм). Із
сполук, що входять до складу нуклеїнових кислот, більш чутливими до
дії опромінення є пиримидинові основи (цитозин, тимін й урацил),
хоча фотопошкодження можуть виникати також у пуринових основах
(аденін, гуанін), і вуглеводних компонентах. Фотопорушення нуклеїнових
кислот можуть привести до появи мутацій, канцерогенезу і, навіть, до
загибелі клітини. Часто ці порушення гальмують нормальне проходження
процесів транскрипції і реплікації нуклеїнових кислот, що виключає
можливість нормального поділу клітин.
Іноді фотопорушення молекул можуть бути викликані не
безпосереднім поглинанням випромінювання певною молекулою, а її
взаємодією з іншою молекулою, яка поглинула квант світла і перйшла
у збуджений стан. Сполуки, які підвищують чутливість біологічних
об’єктів до світла, називаються
фотосенсибілізаторами
, а реакції, які
18
В і л ь н і р а д и к а л и
– це електро-нейтральні атоми або молекули, що мають
неспарені електрони на зовнішній орбіталі. Мають високу реакційну здатність,
утворюються в ході біохімічних реакцій і дій іонізуючого випромінювання. Здатні
запускати ланцюгові хімічні реакції, наприклад, реакції перекісного окислювання
ліпідів. Завдяки цьому відбуваються хімічні ушкодження молекул та атомів речовини.