Модель для изучения действия магнитных полей на биологические объекты (в рамках проекта «Российский маглев»)

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

В современной, обширной по объёму научной литературе, посвященной эксплуатационным разработкам и проблемам магнитолевитационных транспортных систем, основное внимание уделено энергетическому анализу применяемых и разрабатываемых технологий, поиску оптимальных технических решений по безопасности. В проекте «Российский маглев» («РМ») применена система статической магнитной левитации в отличие от иностранных систем электродинамической (технология «Maglev») и электромагнитной (технология «Transrapid») левитации [1]. В связи с этим, вопросы медицинской безопасности «РМ» имеют особенности, хотя в общей структуре проблем им уделено недостаточное внимание [6]. Поэтому актуальным является установление характеристик физических полей вокруг отечественной разработки «РМ», проведение модельных медико-биологических исследований для установления воздействия нерадиационных полей на различные системы организма, разработка научно обоснованных предложений и рекомендаций для установления регламентарных норм в этом виде транспорта, для защиты от вредоносного техногенно-полевого воздействия на пассажиров и обслуживающий персонал.

Целью настоящей работы было совершенствование методологической базы для изучения влияния на организм человека постоянных магнитных полей (ПМП), используемых в технологии «Российский маглев», способных воздействовать на организм человека. Для дифференцированной оценки воздействия ПМП на органы различных систем млекопитающих исследования проводились в органотипической культуре тканей. Следует отметить, что использование культур клеток и тканей в биологических исследованиях получает все большее распространение в качестве сравнительно простых модельных систем, с помощью которых можно успешно решать многие проблемы воздействия различных факторов окружающей среды на ткани живых организмов.

Органотипическое культивирование фрагментов тканей является наиболее адекватным и удобным методом для быстрой количественной оценки направленности влияния исследуемых факторов на биологические объекты [2]. Это связано с тем, что изменение количества клеток является результатом стимуляции или ингибирования клеточной пролиферации, и это изменение служит критерием первичной интегральной оценки биологической активности, в том числе ПМП. Преимуществом рассматриваемого метода является то, что в эксплантатах сохраняется такая же соподчиненность клеточного состава ткани, как и в целостном организме [3]. В органотипической культуре возможно строго дозированное воздействие непосредственно на клетки ПМП, при этом исключаются действующие в целостном организме нервные, гормональные и другие влияния. Классической тест-системой является органотипическая культура различных тканей крыс.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для изучения влияния ПМП на процессы клеточной пролиферации в органотипической культуре использовали эксплантаты тканей разного генеза, полученные от половозрелых крыс-самцов популяции Wistar («Коллекция лабораторных млекопитающих разной таксономической принадлежности» Института физиологии им. И.П. Павлова РАН, поддержана программой биоресурсных коллекций ФАНО России). В экспериментах исследованы 747 эксплантатов тканей коры головного мозга (n=182), селезёнки (n=184), почки (n=95), сердца (n=96), простаты (n=92) и печени (n=98), которые помещались в чашках Петри в питательной среде с pH=7,2 следующего состава: физиологический раствор (0,9 %) 50мл, среда МЕМ 50мл, фетальная бычья сыворотка 10 мл, глюкоза (5 %) 1мл, гентамицин (4 %) 0,5 мл. Чашки Петри с эксплантатами помещались в CO₂-инкубатор при 36,8°С [4, 5].

На экспериментальные чашки воздействовали с помощью установки, специальной камеры, содержащей намагничивающее устройство, состоящее из двух магнитных полюсов-концентраторов – плоских ферритовых магнитов марки Y22H (${\text{Fe}}_2{\text{O}}_3·{\text{Sr CO}}_3$) с анизотропной магнитной структурой и платформу из немагнитного материала для размещения на ней контейнера (чашки Петри) с образцами исследуемой ткани. Концентраторы образовывали в месте расположения исследуемой ткани пятно однородного ПМП, структуру и величину индукции которого контролировали прибором Тесламетр Ф 4354/1. Величину напряженности и контроль однородности поля в пятне устанавливали и регулировали взаимным расположением концентраторов. Погрешность измерений не превышала 2,5 %. Чашку Петри с образцами разных тканей помещали между рабочими торцами полюсов и воздействовали однородным ПМП индукцией ~200 мТл. в течение трёх суток при постоянстве температуры и атмосферы окружающей среды в CO₂-инкубаторе (Shellab, Sheldon, США).

Выбор величины индукции ПМП в эксперименте соответствует величине напряженности ПМП в салоне модели «Русский Маглев» на уровне одного метра от пола [6].

От одной крысы получали образцы ткани, которые делили на эксплантаты и культивировали в двух одновременных и одинаковых по длительности (72 часа)  условиях: без воздействия ПМП (контроль) и при воздействии ПМП (эксперимент). Для количественной оценки влияния ПМП на развитие эксплантатов применяли морфометрический метод и сравнивали данные контрольных и экспериментальных чашек. Для этого использовали визуализацию эксплантатов микротеленасадкой для микроскопа (серия 10, «МТН-13» фирмы «Альфа-Телеком», Россия), площади зон эксплантатов в условных единицах определяли с помощью программы PhotoM 1.2.

Происходящее при культивировании выселение регенерирующих клеток в зону роста (ЗР) из центральной зоны (ЦЗ) эксплантата оценивали по индексу площади (ИП), который рассчитывали по формуле (1) отношения площади (S) всего эксплантата ($S_{ЗР+ЦЗ}$) к площади центральной зоны ($S_{ЦЗ}$).

$ИП=\frac{S_{ЗР+ЦЗ}}{S_{ЦЗ}}$ (1)

После этого значения $ИП$ усредняли по отдельности для контрольных ($И{П}_{к}$) и экспериментальных ($И{П}_{э}$) чашек . Усредненное значение $И{П}_{к}$ принимали за 100%, а разницу усредненных значений ($\Delta ИП$) выражали в процентах по формуле (2), по значению которой судили о величине и направленности изменений.

$\Delta ИП=\frac{И{П}_{э}-И{П}_{к}}{И{П}_{к}}\times 100 \%$ (2)

Достоверность различий $ИП$ эксплантатов в контрольных  и экспериментальных чашках после проверки на соответствие полученных данных нормальному закону распределения (Шапиро–Уилка, Монте–Карло, Харке–Бера) оценивали с помощью t‑критерия для независимых выборок. Статистически достоверными различия принимали на уровне Р менее 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Ранее нами изучены и представлены характеристики основных источников  ПМП  в  технологии  РМ  [6],  магнитная  индукция  которых при воздействии на организм человека возрастает от значений < 1 до 300 мТл при приближении к источнику МП с 0,7 до 0,1 м соответственно. Полученные данные сопоставлены с действующими в РФ нормативно-техническими документами: СанПиН 2.2.4.3359-16 «Санитарно-эпидемиологические требования к физическим факторам на рабочих местах» (к сожалению, регламентарные нормы в РФ на транспорте до сих пор не разработаны). Согласно литературным данным, воздействие магнитного поля вызывает в человеческом организме неспецифическую реакцию по типу общего адап­тационного синдрома. Возможно развитие и специфической, схожей с метеотропной, реакции, протекающей с изменением сосудистого тонуса. Складывается убеждение, что фактор магнитной природы не является непосредственной причиной болезни, он лишь провоцирует ее или способ­ствует обострению уже имеющегося патологического про­цесса. У людей с метеочувствительностью могут появиться функциональные нарушения, влияющие на качество жизни. При этом конкретная динамика физио­логических показателей у разных людей может быть раз­личной [7].

Однако результатов скриннинговых исследований интенсивности воздействия одинакового ПМП на различные органы в литературе найти не удалось. Кроме того, только в ряде работ описано проведенное исследование характеристик ПМП, имеющего наибольший биологический эффект. Для скриннингового исследования действия биологически активных факторов наиболее подходит методика органотипической культуры ткани [8]. Полученные нами экспериментальные данные свидетельствуют о том, что равномерное ПМП с индукцией ~200 мТл по-разному влияет на клетки различных тканей млекопитающих. Согласно приведенным в табл. усредненным значениям $ИП$ для эксплантатов органотипической культуры тканей печени, сердца, простаты, почки, можно сделать вывод о том, что пролиферативные процессы не изменялись, так как значения  статистически недостоверно отличались от . В то время как ПМП угнетало клеточную пролиферацию иммунной ткани селезенки и клеток головного мозга.

 

Таблица. Усредненные значения $\mathit{И}\mathit{П}$ эксплантатов тканей в контрольных ($\mathit{И}{\mathit{П}}_{\mathbf{к}}$) и экспериментальных ($\mathit{И}{\mathit{П}}_{\mathbf{э}}$) чашках Петри

	Кора головного мозга	Селезенка	Печень	Почка	Простата	Сердце
$И{П}_{к},усл.ед.$	1,6±0,26	1,98±0,62	1,67±0,67	2,11±0,78	1,37±0,2	1,79±0,37
$И{П}_{э},усл.ед.$	1,29±0,12	1,6±0,34	1,66±0,3	1,76±0,32	1,36±0,2	1,78±0,19
Р-значения	0,03	0,03	0,83	0,26	0,85	0,65

Так $ИП$ эксплантатов в экспериментальных чашках статистически достоверно (Р=0,03) уменьшался по сравнению с контролем для тканей коры головного мозга ($\Delta ИП$=-19,7%) и селезёнки ($\Delta ИП$=-18,9%).

 

Несмотря на вышеописанное результаты действие ПМП на живые организм и клетки, многолетняя практика применения ПМП в медицинских процедурах, в частности магнитной резонансной томографии, позволила опубликовать работы, утверждающие безопасность применения ПМП [9, 10]. Хотя применяются относительно сильные магнитные поля, такие процедуры действительно могут быть безопасны для пациентов вследствие непродолжительности магнитной экспозиции. Для персонала, хроническое действие ПМП и других вредных факторов, позволяет нейтрализовать соблюдение гигиенических правил, которые неспецифичны для нейтрализации действия ПМП [11]. Представленные данные не исключают отдаленных проявлений экспозиции в ПМП для здоровья человека уровня 1 Тл [12, 13], хотя в других исследованиях таких эффектов не найдено [14].

Учитывая вышесказанное, представляется актуальной решение задачи по поиску средств защиты, позволяющих снизить биологический эффект от действия ПМП для пассажиров и обслуживающего персонала при эксплуатации транспортной системы «Российский Маглев» («РМ»). Поэтому в нашей работе мы постарались обосновать модель для апробации различных средств нейтрализации или снижения биологических эффектов действия ПМП, реализованную в органотипической культуре ткани. Для этого во 2-й серии опытов мы выбрали полипептиды, обладающие тканеспецифическим и стимулирующим клеточную пролиферацию действием [15], и ввели в питательную среду эксплантатов, подвергающихся воздействию ПМП. К эксплантатам коры головного мозга добавлялся препарат Кортексин^®, а к эксплантатам селезенки препарат Тималин^® [16]. Эти полипептиды добавлялись в эффективной концентрации 50 нг/мл. На Рис. показано, что при действии Кортексина^® на эксплантаты коры головного мозга $ИП$ снижался ($\Delta ИП$=-12,3%) статистически недостоверно (таким образом, действие ПМП уменьшалось в целом на 9 %). А при совместном действии ПМП и Тималина^® на эксплантаты селезенки наблюдалось увеличение $ИП$ в экспериментальных чашках по сравнению с контрольными ($\Delta ИП=+13,4\%$) .

 

Рис. Влияние ПМП на кору (1) и селезенку (2) изолированно (темные столбики) и в сочетании с Кортексином® и Тималином® соответственно (светлые столбики)

 

Эти данные подтверждают функциональное угнетение пролиферативной активности эксплантатов селезенки и коры головного мозга под действием ПМП и возможность нормализации пролиферативного потенциала под действием факторов роста, содержащихся в применяемых препаратах.

Полученные нами данные мы сравнили с данными других исследователей, так как постоянные МП с индукцией в диапазоне от долей до сотен мТл в лабораторных условиях сравнительно легко создать. В настоящее время внимание ученых сосредоточено по двум основным направлениям исследований: поиск механизмов действия ПМП на живые организмы и наблюдения биологических эффектов слабых ПМП, как правило, с неблагоприятным действием на организм. Обсудим последнее направление более подробно. В ряде работ описаны клеточные эффекты от воздействия МП с аналогичными характеристиками. Во всех работах описано подавление пролиферации клеток вследствие увеличения повреждений ДНК при воздействии ПМП индукцией 0,97 мТл [17] или МП с частотой 50 Гц и индукцией 400 мТл [18], стимуляцией апоптоза МП с частотой 50 Гц и индукцией 150 мТл [19] и ПМП с индукцией 1Тл [20], усилением транскрипции генов в ПМП с индукцией 100 мТл [21] и повреждающим действием на мембрану клеток ПМП с индукцией 100–300 мТл [22].

Однако простое снижение величины уровня индукции ПМП в 10­–1 000 раз, то есть ниже предельно допустимого уровня (по СанПиН 2.2.4.3359-16), не нивелирует отрицательных эффектов воздействия ПМП на уровне клеток. Согласно литературным данным, в ПМП с индукцией 0,6 мТл усиливается пролиферация за счет угнетения апоптоза [23], снижается адгезивная способность лейкоцитов в ПМП с индукцией от 0,05 до 10 мТл [24], возрастает внутриклеточная концентрация белков теплового шока в МП с частотой 50 Гц и индукцией 10–140 мкТл [25]. В связи с этим, дальнейшие исследования будут направлены на изучение повреждающего действия МП от величины индукции и характеристиками, измеренными вокруг системы «РМ».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как было показано, система «РМ» нуждается в защите от собственных техногенных МП. На основании проведенного в данной работе исследования создается перспектива использования представленной биологической модели в разработке и апробации методов и мероприятий для защиты от неблагоприятного действия МП, возникающих при эксплуатации магнитолевитационной транспортной системы. После обоснования медико-биологической безопасности на клеточном уровне техногенных МП системы «Российский маглев», можно проводить мониторинговые исследования в условиях реальных моделей [26].

Приведенные выше данные позволили сделать следующие выводы:

1. На уровне расчетных значений индукции постоянного магнитного поля проекта «Российский Маглев» наблюдается отрицательное действие на пролиферативную активность органотипической культуры ткани коры головного мозга и селезенки.
2. Представленная биологическая модель оценки влияния постоянных магнитных полей в органитипической культуре ткани позволяет проводить предварительную апробацию средств физической защиты, предназначенных для использования в проекте «Российский Маглев»..

Об авторах

Артемий Владимирович Рубинский

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет имени академика И.П. Павлова Министерства здравоохранения Российской Федерации

Автор, ответственный за переписку.
Email: rubinskiyav@1spbgmu.ru
ORCID iD: 0000-0003-1041-8745
SPIN-код: 3020-0781

Кандидат медицинских наук, доцент

Россия, 197022, г. Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, 6-8

Тимур Дмитриевич Власов

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет имени академика И.П. Павлова Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: tvlasov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6951-7599
SPIN-код: 8367-1246

доктор медицинских наук, профессор

Россия, 197022, г. Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, 6-8

Наталья Иосифовна Чалисова

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии имени И.П. Павлова Российской академии наук

Email: ni_chalisova@mail.ru
SPIN-код: 2139-7608

доктор биологических наук, профессор

Россия, 199034, г. Санкт-Петербург, ул. Макарова, 6

Список литературы

Дополнительные файлы