Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ КРАЙНЕ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ МАЛОЙ МОЩНОСТИ В ФАРМАЦИИ

Кузнецов Д.Б. 1
1 Пермская государственная фармацевтическая академия Росздрава, Пермь
В работе приводится обзор научных данных по воздействию крайне высокочастотного излучения на растворы и биологические объекты. Приведены данные о возможности применения ЭМИ в фармации с целью повышения эффективности технологических процессов и проблемы их внедрения. Обсуждаются механизмы воздействия крайне высокочастотного излучения на биологические объекты, то, каким образом меняются свойства среды и какие проявляются биологические эффекты. Основными значимыми эффектами воздействия ЭМИ является повышение биосинтетической способности, пролонгированный эффект от одноразового облучения, а также ослабление действия факторов, отрицательно влияющих на функции клеток и восстановление репрессированной различными способами биосинтетической активности культур. На основании представленных данных дается оценка перспективности разработки аппаратов с системами воздействия крайне высокочастотными излучениями для осуществления производства биофармацевтических продуктов.
КВЧ-излучение
нативная агрегация
гидродинамическая неустойчивость
мембраны
ферментация
1. Андреев В.Е., Полников И.Г., Казаринов К.Д. Использование в биохимическом эксперименте явления межфазной конвекции в водных растворах при поглощении КВЧ-излучения // Электронная техника. Сер. 1., СВЧ-техника – 2007. – № 2 (490). – С. 35–41.
2. Бецкий О.В., Голант М.Б., Девятков Н.Д. Миллиметровые волны в биологии. – М.: Знание, 1988. – 64 с.
3. Бецкий О.В., Девятков Н.Д., Кислов В.В. Миллиметровые волны низкой интенсивности в медицине и биологии // Биомедицинская радиоэлектроника. – 1998. – № 4.
4. Бецкий О.В., Кислов В.В. Волны и клетки. – М.: Знание. Сер. Физика, 1990. – №2.
5. Борисенко Г.Г., Полников И.Г., Казаринов К.Д. Использование гидродинамической неустойчивости при микроволновом облучении жидких сред в биохимическом эксперименте // Электронная техника. Сер. 1, Электроника СВЧ. – 2007. – № 1(489). – С. 98–106.
6. Воейков В.Л. Ключевая роль устойчиво неравновесного состояния водных систем в биоэнергетике // Российский химический журнал (Журнал РХО им. Д.И. Менделеева) т. LIII,. – 2009. – №6. – С. 41–49.
7. Давыдов А.С. Солитоны в молекулярных системах. – Киев: Наук. Думка, 1984
8. Девятков Н.Д. Влияние электромагнитного излучения миллиметрового диапазона волн на биологические объекты // УФН 110. – 1973. – С. 453–454.
9. Казаринов К.Д. Биологические эффекты КВЧ-излучения низкой интенсивности // Итоги науки и техники. Сер. Биофизика. – 1990. – Т. 27. – 102 с.
10. Крыницкая А.Ю., Суханов П.П., Седельников Ю.Е. Влияние КВЧ-излучения на структурно-динамическое состояние модельных биомембран // Радиоэлектроника. – 2011. – №4. – С. 1–9.
11. Насонов Д.Н. Местная реакция протоплазмы и распространяющееся возбуждение. – М.-Л.: Изд-во Академии наук СССР, 1962. – 426 с.
12. Петросян В.И., Синицын Н.И., Ёлкин В.А. Люминесцентная трактовка «СПЕ-эффекта» // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. – 2002. – №1. – С. 28–38.
13. Особая роль системы «миллиметровые волны – водная среда» в природе / Н.И. Синицын, В.И. Петросян, В.А. Ёлкин и др. // Биомедицинская радиоэлектроника. – 1998. – №1. – С. 5–23; – 1999. – №1. – С. 3–21.
14. Вода, парадоксы, величие малых величин / Н.И. Синицын, В.И. Пертросян, В.А. Ёлкин и др. // Биомедицинская радиоэлектроника. – 2000. – №2.
15. Синицын Н.И. Особая роль структуризации водосодержащей среды в современных биомедицинских радиоэлектронных технологиях и нанотехнологиях будущего / Н.И. Синицын, В.А. Ёлкин // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника: юбилейный выпуск к 100-летию со дня рождения Н.Д. Девяткова. – 2007. – № 2–4. – С. 31–43.
16. Синицын Н.И., Ёлкин В.А., Бецкий О.В. Миллиметровая наноструктурная медицина – нанотехнология будущего в биомедицинских радиоэлектронных технологиях // Альманах клинической медицины, Т. XVII, Ч. II. – М., 2008. III Троицкая конференция «Медицинская физика и инновации в медицине». – С. 354–357.
17. Тамбиев А.Х., Кирикова Н.Н., Бецкий О.В., Гуляев Ю.В. Миллиметровые волны и фотосинтезирующие организмы. – М.: Радиотехника, 2003.
18. Тамбиев А.Х., Кирикова Н.Н., Лукьянов А.А. Применение активных частот электромагнитного излучения миллиметрового и сантиметрового диапазона в микробиологии. – Наукоемкие технологии. – 2002. – №1.
19. Финкельштейн А.В. и Птицын О.Б. Физика белка. – М.: Книжный дом «Университет», 2005. – 456 с.
20. Ling GN. A convergence of experimental and theoretical breakthroughs affirms the PM theory of dynamically structured cell water at the theory’s 40th birthday. In: Water and the Cell (Pollack, G.H., Cameron, I. L. and Wheatley, D.N., eds.). Springer Verlag, Berlin. – New York, 2006. – Р. 1–52.
21. Kazarinov K.D., Putvinsky A.V., Malinin V.S. Interface convection in water as a primary mechanism of extra high frequency irradiation // Electricity and Magnetism in Biology and Medicine: Plenum Publishing Corporation. N.Y. – 1998. – P. 569–572.
22. Ling GN. Nano-protoplasm: the ultimate unit of life. Physiol Chem Phys Med NMR. 2007;39(2):111-234.
23. Matveev V.V. Native aggregation as a cause of origin of temporary cellular structures needed for all forms of cellular activity, signaling and transformations // Theoretical Biology and Medical Modelling. – 2010.
24. Spackman MA, Munshi P, Dittrich B. Dipole moment enhancement in molecular crystals from X-ray diffraction data // Chemphyschem. – 2007. – № 8(14). – Р. 2051–2063.
25. Zheng JM, Chin WC, Khijniak E, Khijniak E Jr, Pollack GH. Surfaces and interfacial water: evidence that hydrophilic surfaces have long-range impact // Adv Colloid Interface Sci. – 2006. – № 127(1). – Р. 19–27.

Электромагнитные волны в миллиметровом диапазоне были освоены в 1965?1966 гг. Именно в эти годы в России под руководством акад. Н.Д. Девяткова и М.Б. Голанта были разработаны и стали серийно выпускаться генераторы на основе широкополосных ламп обратной волны. Ряд исследований показал эффективность использования электромагнитных полей низкой интенсивности в диапазоне 4,6–8,5 мм (КВЧ-излучение) для использования в биотехнологических процессах.

Проблема воздействия низкоинтенсивного КВЧ-излучения на живые организмы является частью общей проблемы воздействия слабых внешних факторов разной физической природы. Воздействие радиоволн КВЧ диапазона успешно изучается и применяется в исследовательской и практической медицине. Исследования проводились также на объектах биотехнологии, которые показывают большие перспективы [18].

Биотехнология сейчас определяется как промышленное использование биологических процессов на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами. Например, установлена зависимость жизнедеятельности микроорганизмов от облучения миллиметровыми волнами.

Получаемые при облучении микроорганизмов эффекты в дальнейшем могут явиться основой новых методов получения вакцин, увеличения продуктивности методов получения антибиотиков [8].

Особенно использование КВЧ-излучения интересно тем, что по сравнению с химическими агентами оно не имеет побочных эффектов (аккумуляция метаболитов и образование новых биохимических цепочек в метаболизме организма).

Приложение КВЧ-излучения в производстве биофармацевтических препаратов

Исследование действия КВЧ-излучения на микроорганизмы показало, что оно оказывает влияние на морфологию клеток, процесс клеточного деления, ряд биологических свойств бактерий, скорость роста (выход биомассы), выход ферментов в среду. При этом отсутствовал мутагенный эффект [17].

Н.И. Синицыным установлено, что эти особенности воздействия КВЧ-излучения на водосодержащие среды, приводящие к появлению биологических эффектов, проявляются только в том случае, если водная среда структурирована. При ее отсутствии происходит лишь её обычный тепловой нагрев [15].

Исследования процессов клеточного деления микроорганизмов при воздействии ЭМИ показали, что это влияние сказывается лишь в узких полосах частот. А биологические эффекты облучения могут запоминаться организмами на длительное время [16].

В настоящее время основным, наиболее изученным и наиболее широко используемым объектом биофармацевтики является E. coli. В отношении данной бактерии выявлены стимуляция роста, возрастание устойчивости к деградации на длинах волн 5,6–7,2 [4].

Известно, что проводились исследования воздействия ЭМИ в промышленных условиях на Московском экспериментальном пивоваренном заводе ВНИИ безалкогольной промышленности и продуктов брожения совместно с биофаком МГУ им. М.В. Ломоносова и НПО «Исток» в конце 70-х и начале 80-х годов прошлого века [17]. Целью проведенных исследований было изучение возможности использования КВЧ-излучений на клетки дрожжей для интенсификации процесса пивоварения и улучшения качества получаемого продукта. Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что облучение инокулята дрожжей миллиметровыми волнами приводит к интенсификации производственного процесса, улучшению вкусовых качеств и питательности пива, при этом сокращая длительность брожения, увеличивается флокуляционная способность, снижается количество диацетила и альдегидов (токсичные вещества), увеличивается содержание гликогенов, т.е. повышаются питательные свойства пива. Экспериментально были обнаружены еще два важных эффекта КВЧ-излучения: ослабление действия факторов, отрицательно влияющих на функции клеток, а также восстановление репрессированной различными способами биосинтетической активности дрожжевых культур (подобные результаты наблюдались при воздействии и на другие культуры). Эти данные говорят о повышении резистентности исследованных клеток к повреждающим факторам среды.

Это очень важное свойство КВЧ-излучения, так как при производстве пробиотиков, вакцин или других биофармацевтических продуктов культура используется многократно, т.е. применяется для нескольких циклов ферментации (причем, производственная генерация включает более 100 циклов размножения). В экспериментах было обнаружено еще одно очень важное свойство миллиметровых волн: оказалось, что возможно многократное использование однажды облученной культуры при сохранении ею высокой биосинтетической активности и сокращении длительности ферментации, т.е. имел место эффект пролонгации (более 70 циклов).

Свойства среды и эффекты под воздействием КВЧ-излучения

Известно, что КВЧ-излучение очень сильно поглощается водой. В работе [5] рассмотрено поглощение КВЧ-излучения в водных растворах без ограничения на их толщину и продемонстрирована возможность появления гидродинамической неустойчивости в виде термогравитационной конвекции. Также в работе [1] показано, что при облучении тонких слоев водных растворов (не более 2,0 мм) гидродинамическая неустойчивость имеет иной характер, при котором преимущественно имеет место термокапиллярный эффект [21]. При этом в тонком слое появляется градиент температуры, что не наблюдается в опытах, где облучаемые слои водных растворов более 2 мм. При облучении наблюдались нестационарные и колебательные течения даже при небольших уровнях плотности падающей мощности (5–10 мВт/см2). Появление градиента температуры в конечном счете влияет на поверхностное натяжение и, следовательно, вызывает движение жидкости в поверхностном слое [1]. Межфазная конвекция приводит к обогащению кислородом слоев воды и ускорению газообмена раствора с воздухом по всей границе раздела фаз при излучении низкой интенсивности (0,5 мВт/см2).

В работе [9] представлены данные о том что КВЧ-излучение мощностью более 0,2 мВт/см2 ускоряет биохимические реакции. Необходимо отметить, что эффект КВЧ-излучения наблюдался при всех исследованных длинах волн (4,0…7,1 мм).

При изучении влияния КВЧ-излучения на структурно-динамическое состояние модельных биомембран в работе [10] было выяснено, что если при 61,8 ГГц объем воды, ассоциированной с полярными группами фосфолипидов липосом, возрастает, то при 62,6 ГГц наблюдается обратная картина, свидетельствующая об уменьшении поверхностного водно-липидного слоя. Таким
образом, при облучении на частоте 61,8 ГГц происходит разрыхление (разупорядочивание) водного окружения фосфолипидов, а при 62,6 ГГц, наоборот, увеличение слоя пограничной воды. И в обоих случаях эти изменения происходят на фоне возрастающей, по сравнению с контролем, плотности упаковки фосфолипидных головок.

Механизмы воздействия ЭМИ

Механизм действия низкоинтенсивных излучений на клетки остается актуальной проблемой в современной молекулярной биологии и биофизике, тем не менее, экспериментальные и теоретические данные говорят в пользу того, что молекулы воды [2] и водные кластеры [12] являются важными при изучении влияния физических факторов на биологические объекты и являются первичным акцептором ЭМИ.

При комнатной температуре кванты КВЧ-излучения могут влиять, в основном, только на кинетическую энергию вращения полярных молекул (например, ДНК, РНК, белки, вода) [17], это означает, что КВЧ-излучение способно оказывать влияние на нативную агрегацию. Согласно В.В. Матвееву [23] нативная агрегация – это обратимая высокоспецифичная агрегация белков, находящаяся под генетическим контролем, в результате которой формируются временные структуры. Методологической основой данной гипотезы являются результаты исследований научных школ Д.Н. Насонова [11] и Г. Линга [20].

Смысл гипотезы в интерпретации воздействия КВЧ-излучения на живые объекты подразумевает, что в клетке под действием излучения образуются временные структуры, которые носят сигнальную функцию. Первопричиной любых функциональных изменений в клетке является появление в результате нативной агрегации сигнальных структур, непрерывно возникающих и распадающихся в процессе ее жизнедеятельности.

Сигнальные структуры могут обладать разнообразными свойствами: (1) могут быть центрами связывания ионов, молекул и белков; (2) могут обладать ферментативной активностью; (3) могут образовывать каналы и межклеточные контакты; (4) могут служить матрицей, организующей взаимодействие молекул в синтетических и транспортных процессах; (5) могут служить рецепторами сигнальных молекул; (6) могут служить основой для построения еще более сложных надмолекулярных структур. Эти структуры «вспыхивают» в пространстве клетки подобно сигнальным огням, выполняют свою роль и исчезают, чтобы появится вновь в другом месте и в другое время. Смысл существования структурных «вспышек» в том, что при переходе в активное состояние клетке необходимы новые ресурсы, функции, механизмы, регуляторы и сигналы. Как только клетка переходит в состояние покоя, необходимость в этих структурах исчезает, и они разбираются.

Помимо этого преимущественное большинство полярных молекул в живом организме находятся на высоком энергетическом уровне [6], за счет этого при малом воздействии внешнего или внутреннего раздражителя возбуждение перемещается по специфическим путям, структуру которых определяет белковый матрикс клетки. КВЧ-излучение влияет на кинетическую энергию вращения полярных молекул и, соответственно, на движение возбуждения по слоям пограничной воды. Состояние макромолекул может синхронизироваться как в микрообъемах, так и в объеме всей клетки. Вода в клетке и в модельных системах более упорядочена, чем объемная [20], поэтому встраивание молекулы растворенного вещества в растворитель с более жесткими связями энергетически невыгодно, и они вытесняются из системы.

Несмотря на все разнообразие белков, все они имеют абсолютно одинаковый полипептидный остов, различия между белками обусловлены лишь боковыми цепями. Расположение указанных диполей вдоль полипептидного остова оказывается в структурном отношении комплементарным структуре воды. Другая особенность групп пептидной связи состоит в том, что они образуют водородные связи либо друг с другом (во вторичных структурах), либо с водой (развернутые участки полипептидной цепи) [19].

Важное свойство дипольных молекул состоит в том, что их дипольный момент не является величиной постоянной, а зависит от их взаимодействий с другими дипольными молекулами [24].

Однако все начинает меняться, если развернутый полипептид, адсорбировавший воду, начинает сворачиваться с образованием вторичных структур. В этом процессе пептидные группы отказываются от водородных связей с водой и образуют их между собой. Прежде связанная вода десорбируется и приобретает свойства объемного растворителя [22].

Правомерность такого взгляда на взаимодействие полипептидов и других гидрофильных полимеров с водой получило убедительное экспериментальное подтверждение [25].

В работе [14] обсуждается новый физический механизм высокой чувствительности водосодержащих биологических объектов к слабым ЭМИ в КВЧ-диапазоне. Этот эффект связан с открытием собственных резонансных частот у водных кластеров, лежащих в диапазоне частот примерно
50–70 ГГц. При облучении биологических объектов КВЧ-излучением имеет место захват молекулярными водными осцилляторами (кластерами) частоты внешнего сигнала и усиление по типу синхронизированной генерации или регенеративного усиления. Волны возбуждения на этих частотах распространяются в водных средах с очень малыми потерями, почти как в случае давыдовских солитонов [7], и, тем самым, могут проникать на большую глубину облучаемого объекта, вовлекая глубинные структуры в процесс взаимодействия со слабым внешним сигналом.

При совпадении частоты излучения с частотой вращения полярных молекул возможна перекачка энергии излучения молекуле, сопровождающаяся увеличением вращательной кинетической энергии, что влияет на ее реакционную способность [3] и определяет её селективное взаимодействие с другими молекулами, что говорит о перспективности использования КВЧ-излучения в качестве физического стимулятора для усиления разнообразных функций белков в живой клетке и практического использования в производстве биофармацевтических препаратов. Когда происходит совпадение частот с молекулами, вода и биообъекты становятся значительно более «прозрачными» для ЭМИ [13].

Заключение

Показана перспективность использования КВЧ-излучения в биофармацевтическом производстве в качестве средства оптимизации биотехнологических процессов. Однако все же остаются проблемы с глубоким пониманием механизмов воздействия и, соответственно, разработки новых производственных установок, которые бы позволили масштабировать лабораторные исследования до промышленного уровня с сохранением значимого биологического эффекта КВЧ-излучения на процессы ферментации. Выявленные особенности процесса ферментации, испытывающего влияние миллиметрового излучения, накладывают дополнительные трудности из-за существующего уровня техники.


Библиографическая ссылка

Кузнецов Д.Б. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ КРАЙНЕ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ МАЛОЙ МОЩНОСТИ В ФАРМАЦИИ // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 10-2. – С. 400-404;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=30658 (дата обращения: 31.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074