Эффекты закрепляющего и разрушающего действия перфторана на мембраны эритроцитов в импульсном электрическом поле

 

Мороз В.В., Козлова Е.К., Богушевич М.С., Алексеева П.Ю., Черныш А.М., Волков А.В.
Научно-исследовательский институт общей реаниматологии РАМН, Москва
Московская медицинская академия им. И.М. Сеченова
Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова


Цель данной работы: получение экспериментальных результатов комбинированного действия перфторана и импульсного электрического поля дефибриллятора на мембраны эритроцитов крови человека и изучение эффектов взаимодействия перфторана с мембранами с помощью последующего знакопеременного импульсного электрического воздействия.

Для выявления специфического действия перфторана мембраны эритроцитов модифицировались импульсным электрическим полем. Индуцированная калиброванная электропорация мембран позволила проявить «замаскированные» эффекты взаимодействия системы мембрана – перфторан.

В экспериментальной биологической модели использовали суспензию крови с концентраций 0,05 мл крови в 1 мл физиологического раствора, что соответствовало 230 миллионов эритроцитов в 1 мл суспензии. В суспензию добавляли перфторан в концентрации 5 - 100 мкл на мл суспензии. При концентрации 10 мкл на мл суспензии на эритроцит приходилось около 105 частиц перфторана. Перфторан добавляли в суспензию крови до и после импульсного электрического воздействия. В качестве источника импульсного электрического поля использовали клинический дефибриллятор Lifepak-7 (USA). Электрический импульс подводили к титановым электродам, которые помещали в кварцевую кювету. В нее наливали суспензию эритроцитов. Напряженность поля в растворе определялась энергией импульса, задаваемой дефибриллятором и сопротивлением раствора (100 Ом). Для энергии импульса 230 Дж амплитуда напряжения импульса составила 2900 В, что соответствовало напряженности поля в растворе 1700 В/см. Результаты воздействия на систему оценивали по оптической плотности суспензии до и в течение заданного времени после воздействия.

Скорость гемолиза при комбинированном воздействии перфторана и электрического поля VП+Е не равнялась сумме скоростей уменьшения численности эритроцитов при воздействии этих двух факторов по отдельности: перфторана VП и импульсного электрического поля VE. Малые концентрации перфторана (10 мкл/мл) вызывали замедляющий, а большие – ускоряющий эффект гемолиза клеток. Замедляющий эффект составлял 12 - 25%, а ускоряющий – более 400 %. Замедляющий эффект действия перфторана при малых его концентрациях наблюдался в тех случаях, когда электрическое воздействие производилось сразу после его добавления в суспензию крови. Если суспензию крови с перфтораном при тех же условиях хранили в течение 24 часов, а потом подвергали воздействию электрического поля, то наблюдали ускоряющий эффект. Скорость гемолиза возрастала в 2 - 3 раза по сравнению с контрольной. Эффективность действия двух электрических импульсов на суспензию крови с перфтораном могла быть в зависимости от концентрации как больше, так и меньше, чем воздействие двух импульсов на чистую суспензию крови. При малых концентрациях перфторана (С = 5 мкл/мл) эффективность действия двух импульсов была меньше VП+E < VE, а при больших наблюдали обратную картину: VП+E > VE.

На рисунке представлены относительные скорости (VП+E - VЕ)/VE для одного модифицирующего импульса (кривая 1), для двух однополярных (кривая 2) и для двух разнополярных (кривая 3) импульсов. Влияние перфторана неодинаково для одного и двух импульсов. Для малых концентраций перфторана модуль относительного изменения эффективности для двух импульсов больше, чем для одного:

|(VП+E - VE)/VE|2 > |(VП+E - VE)/V,E |1.

Замедляющее действие перфторана составило (12 - 25%) при действии одиночного модифицирующего импульса (кривая 1) и увеличивалось до 40 % при действии двумя импульсами (кривые 2 и 3). При действии разнополярных импульсов перфторан вызывал больший замедляющий эффект (на 10 %) по сравнению с действием двух однополярных импульсов. Для больших концентраций относительное изменение эффективности воздействия для двух импульсов было меньше, чем для одного. Зная скорость процесса в результате действия двух импульсов V и скорость гемолиза в результате действия только первого импульса V1, можно рассчитать скорость процесса в результате действия второго импульса V2 : V2=V – V1.



Метод калиброванной электрической модификации мембран эритроцитов позволил показать ряд явлений, возникающих при комбинированном воздействии на клетки импульсного электрического поля и перфторана. Малые концентрации перфторана при электропорации укрепляли мембраны, снижая скорость гемолиза, а большие концентрации этого препарата вызывали обратный эффект: способствовали разрушению мембран. Изменение направления внешнего импульсного электрического поля в присутствии перфторана различных концентраций порождало сложные нелинейные эффекты в структуре биологических мембран. В работе обсуждаются возможные механизмы взаимодействия перфторана с мембранами эритроцитов, основу которых составляет структурная электрическая и электрохимическая асимметрия системы.

Описанные в данной статье экспериментальные явления и предлагаемый подход к анализу результатов опытов могут способствовать углублённому пониманию механизмов взаимодействия перфторана с биологическими мембранами и выработке рекомендаций по применению электрической дефибрилляции сердца в условиях содержания в крови пациента перфторуглеродных соединений.