ИЗМЕНЕНИЕ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ РИТМА СЕРДЦА ПРИ ТЕРАГЕРЦОВОМ ОБЛУЧЕНИИ КРЫС

Ошевенский Л.В.¹, Таламанова М.Н.², Шабалин М.А.³, ДерюгинаА.В.⁴, Крылов В.Н.⁵, Цветков А.И.⁶, Глявин М.В.⁷

¹ORCID: 0000-0001-7039-5763, кандидат биологических наук, доцент, ²ORCID: 0000-0003-0512-6940, кандидат биологических наук, ³ORCID: 0000-0003-2070-4948, ассистент, ⁴ORCID: 0000-0001-8812-8559, доктор биологических наук, доцент, ⁵ORCID: 0000-0001-8344-5619, доктор биологических наук, профессор, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского», ⁶кандидат технических наук, ⁷доктор физико-математических наук, доцент, Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук» (ИПФ РАН)

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №15-44-02358 р_поволжье_а

ИЗМЕНЕНИЕ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ РИТМА СЕРДЦА ПРИ ТЕРАГЕРЦОВОМ ОБЛУЧЕНИИ КРЫС

Аннотация

Изучено действие низкоинтенсивного ТГц-излучения (263 ГГц) на вегетативный статус крыс (по анализу вариабельности ритма сердца, ВРС) при однократном (15 мин) и хроническом (10 дней по 15 мин) тотальном воздействии на животных. Установлено, что в опытах на целостном организме тотальное терагерцовое облучение крыс в изученном диапазоне доз и режимов приводит к изменениям вегетативного статуса животных, свидетельствующим как о стресс-активации висцеральных систем, так и об адекватной адаптации организма к ТГц – воздействию.

Ключевые слова: терагерцовое излучение, вегетативный статус, вариабельность ритма сердца, облучение, стресс-реакция.

Oshevenskiy L.V.¹, Talamanova M.N.², Shabalin M.A.³, Deryugina A.V.⁴, Krylov V.N.⁵, Tsvetkov A.I.⁶, Glavyin M.V.⁷

¹ORCID: 0000-0001-7039-5763, PhD in Biology, Associate professor, ²ORCID: 0000-0003-0512-6940, PhD in Biology, ³ORCID: 0000-0003-2070-4948, Assistant, ⁴ORCID: 0000-0001-8812-8559, PhD in Biology, Associate professor, ⁵ORCID: 0000-0001-8344-5619, PhD in Biology, Professor, FSBEI of HE N. I. Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod, ⁶PhD in Engineering, ⁷PhD in Physics and Mathematics, Associate professor, Federal state budgetary institution of science Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences (IAP RAS)

This work was supported by the RFBR grant No.15-44-02358 p_volzhye_a

CHANGE OF VARIABILITY OF HEART RHYTHM AT TERAHERTZ IRRADIATION OF RATS

Abstract

The effect of low-intensity THz radiation (263 GHz) on the vegetative status of rats (based on the analysis of cardiac rhythm variability, HRV) was studied at a single (15 min) and chronic (10 days for 15 min) total exposure in animals. It is established that total terahertz irradiation on the whole bodies of rats in the studied range of doses and modes leads to changes in the vegetative status of animals, which indicates both stress activation of visceral systems and adequate adaptation of the organism to THz effects.

Keywords: terahertz radiation, vegetative status, heart rate variability, irradiation, stress reaction.

Известно, что терагерцовый диапазон ЭМИ обладает рядом специфических особенностей, делающих его весьма привлекательным для широкого круга фундаментальных и прикладных исследований в биологии и медицине. В этом диапазоне находится большое число сильных линий колебательных и колебательно-вращательных переходов больших молекул, в том числе органических, что открывает возможности, как для их исследования, так и для селективного воздействия на них [1, С. 148], [2, С. 395]. Выявлено, что в ТГц диапазоне сосредоточены частотные спектры излучения и поглощения важнейших активных клеточных метаболитов (NO, O₂, СО₂, СО, ОН- и др.) [3, С. 7], [4, С. 22], [5, С. 589]. Кроме того, согласно теоретическим оценкам, подтвержденных экспериментами, в области около 1 ТГц находятся собственные частоты колебаний мембран, цитоскелета и клеток в целом. Это может вызывать резонансные эффекты при совпадении собственных частот клетки с частотами внешнего электромагнитного облучения [6, С. 12]. Терагерцовое излучение обладает достаточно высокой проникающей способностью, но сравнительно безопасно для живых организмов. Поэтому в последнее время интенсивно развивается и расширяется сфера применения ТГц излучения как для диагностики нормальных и патологических процессов в организме, так и для воздействия на них с целью профилактики и терапии распространенных заболеваний [7, С. 1302], [8, С. 423], [9, С. 65]. Вместе с тем практически не изучено влияние ТГц-излучения на вегетативный статус организма. В связи с вышеуказанным в работе было изучено влияние низкоинтенсивного терагерцового излучения на вариабельность ритма сердца (ВРС) крыс при тотальном воздействии на организм.

Объектом исследования являлись нелинейные белые крысы массой 180 - 200 грамм. Крысы содержались на общем рационе вивария. Исследования на животных проводили в соответствии с требованиями Женевской конвенции. Вегетативный статус у животных исследовали методом анализа вариабельности сердечного ритма (ВСР). В экспериментах крысы помещались в камеру, на дне которой находился вращающийся пол (частота вращения –  оборот за 5 мин). Таким образом, животные в объеме камеры находились в движении принудительно, перемещаясь по кругу. Эти перемещения животных в камере обеспечивали их равномерное тотальное облучение. В камеру от источника ТГц-излучения направляли пучок излучения, который через регулируемую толщину поглотителя создавал в пространстве камеры поток падающей энергии (ППЭ), имеющий расчётные характеристики в диапазоне 5-10 мВт/см². Указанный диапазон ППЭ был выбран, исходя из ранее полученных нами данных по ТГц-облучению изолированных эритроцитов, как оптимальный, вызывающий обратимые изменения морфо-функционального состояния клеток [10, С. 18].

Действие на животных ЭМИ осуществляли в камере либо однократно, в течение 15 мин, либо по 15 мин ежедневно в течение 10 дней. По окончании ТГц-воздействия у животных регистрировали ЭКГ. Реакции вегетативной нервной системы исследовали с применением компьютерной программы для анализа вариабельности сердечного ритма (ВСР), созданную нами на базе пакета LAB View 8,0 по записям ЭКГ (2-е стандартное отведение, интервалы R-R). Электроды для регистрации ЭКГ размещали на спине подкожно, по линии позвоночника с применением местной анестезии (введение 0,5% лидокаина в количестве 0,2-0,3 мл в месте установки электрода). Для анализа использовали показатели временного анализа (частоту ритма сердца HR, стандартное отклонение нормальных кардиоинтервалов SDNN, коэффициент вариации CV, квадратный корень разности величины последовательностей пар кардиоинтервалов RMSSD); геометрического анализа (вариационный размах Dx, мода Mo, амплитуда моды AMo, стресс-индекс SI) и спектрального анализа: TP(Total)мс² (суммарная мощность спектра вариабельности сердечного ритма), HFмс² (мощность спектра высокочастотного компонента вариабельности), LFмс² (мощность спектра низкочастотного компонента вариабельности, LF/HF усл.е. (отношение значений низкочастотного и высокочастотного компонента вариабельности сердечного ритма), относительное значение мощности спектра высокочастотного (HF%) и низкочастотного (LF%) компонентов вариабельности. Спектральный анализ ряда RR-интервалов проводился на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье с использованием всех точек без сглаживания. При этом учитывали периодические составляющие спектра: высокочастотные (HL) и низкочастотные (FL, имеющие периодичность в диапазоне (0,9-3,5 Гц) и (0,32-0,9 Гц), соответственно, полагая, что высокочастотные колебания отражают преимущественно активацию парасимпатической системы, а низкочастотные колебания связаны с активностью постганглионарных симпатических волокон и отражают модуляцию сердечного ритма симпатической нервной системой.

Полученные результаты обрабатывали статистически с использованием Т-критерия Стьюдента.

Анализ реакций вариабельности сердечного ритма (ВСР, M+σ), проведенный после тотального ТГц-облучения животных, позволил установить, что при однократном облучении происходило увеличение частоты сердечных сокращений (ЧСС) с 394,7± 25,4 у контрольной группы до 425±10,9 уд/мин. (p<0,05), величина моды (Мо) уменьшилась от 0,16 ± 0,02 до 0,14±0,01 с (p <0,05), так же, как и вариационный размах (ВР): с 0,04 ±0,01 до 0,03±0,01 с (p<0,05) (табл. 1). Такие изменения показателей ЧСС и Мо свидетельствовали о повышении регуляции центрального канала управления ВНС, а ВР отражал снижение влияния ее парасимпатического отдела. При анализе полученных результатов следует отметить также повышение индекса ИВР с 742,5±258,071 до 1232,6±696,5 от. ед (p<0,05), увеличение индекса ПАПР от 179,1±117,15 в контрольной группе до 342,6± 167,7 от. ед. (p<0,05) – в опытной. Установлено повышение индекса напряжения (стресс индекса) ИН с 2525,1±1173,8 до 8360±731,6 от. ед (p<0,05). Выявленные изменения показателей ВСР свидетельствовали о значимом повышении активности симпатического отдела ВНС. Спектральный анализ вариабельности ряда RR-интервалов у крыс, при однократном воздействия ЭМИ группы животных, позволил установить, что, наблюдалось снижение общей мощности спектра (ТР) с 11,6±1,7 до 3,3±3,02 мс² (p<0,05). Данный показатель также отражает активацию срочного этапа адаптации – усиление тонуса симпатического звена регуляции. Снижение общей мощности спектра (ТР) произошло за счет повышения диапазона низких (LF) частот с 32,8±9,4 до 45,2±15,0% (p<0,05), и снижения уровней высоких частот (HF) от 67,1±9,4 до 54,8±15,9% (p<0,05). Соотношение низких и высоких (LF/HF) частот увеличивалось с 0,7±0,2 до 0,9±0,2 от. ед. (p<0,05), что говорит о выраженном истощении адаптационного резерва вегетативной нервной системы животных при высокой симпатической активности. Индекс VLF имел тенденцию к увеличению с 23,01±15,1 до 28,87±13,8 %, что свидетельствовало об активации гуморального канала управления ВНС. Анализ временных показателей ВСР (ЧСС, АМо, ИВР, ПАПР, ВПР ВР) при хроническом ТГц-облучении животных не выявил значимых различий по сравнению с однократным облучением. Вместе с тем были выявлены изменения других показателей, таких как индекс напряжения (ИН) и индекс стандартного отклонения кардиоинтервалов (SDNN), свидетельствующих о смене активности звеньев ВНС – от преобладания симпатической активности при однократном воздействии, к повышению парасимпатической при хроническом.  Так, наблюдалось снижение величины индекса напряжения (ИН) с 8360±731,6 при однократном облучении до 5003,71±134,6 при многократном воздействии (p<0,05) и снижения индекса SDNN c 3,7±1,7 до 2,08±0,77 (p<0,05). Такие изменения показателей свидетельствовали о снижении влияния центрального канала висцеральной регуляции через симпатический отдел ВНС. Данное положение было подтверждено спектральным анализом ВСР. Было показано повышение общей мощности спектра (ТР) в 1,5 раза (p<0,05), который указывает на повышение активности регуляторных механизмов парасимпатического отдела вегетативной нервной системы. О повышении активности регуляторных механизмов парасимпатического отдела вегетативной нервной системы свидетельствовало также уменьшение LF и увеличение НF (p<0,05).

Таблица 1 – Показатели вариабельности ритма сердца крыс после однократного и хронического ТГц-облучения

Показатели ВСР	Контрольная группа животных	Группа животных с однократным облучением	Группа животных с многократным облучением
ЧСС, уд/мин	394,7±25,4	425±10,9*	426 ± 9,9
Мода, сек	0,16 ±0,02	0,14±0,01*	0,15±0,01*
Ампл. Моды, от.ед.	27,2±3,3	28,09±3,60	30,42±5,08
Вар.разм. сек.	0,04±0,01	0,03±0,01*	0,03±0,02
ИВР, от.ед.	742,5±258,07	1232,6±696,5*	1343,32±915,4
ПАПР, от.ед.	179,1±117,15	342,6±167,7*	202,15±59,26
ВПР,от.ед.	235,4±137,08	588,2±439,8*	375,74±253,61
ИН, от.ед	2525,1±1173,8	8360±731,6*	5003,71±134,6**
SDNN, с	6,3±3,01	3,7±1,7*	2,08±0,77**
RMSSD,мс	3,1±2,5	2,1±1,4	1,57±0,95
CV, %	4,01±1,3	4,1±1,8	2,77±0,53
pNN5 (%)	4,2±9,06	1,9±4,3	0,38±0,33
Total, мс2	11,6±1,7	3,3±3,02*	4,9±1,2**
VLF, мс2	1,5±1,4	1,0±0,4	0,48±0,23
LF, мс2	2,7±4,4	0,9±1,03	0,60±0,36**
HF, мс2	7,4±13,05	1,3±1,2	3,97±0,46**
LFn, %	32,8±9,4	45,2±15,0*	43,69±3,7**
HFn, %	67,1±9,4	54,8±15,9*	66,31±2,6**
LF/HF, от.ед.	0,7±0,2	0,9±0,2*	0,7±0,16**
VLF, %	23,01±15,1	28,87±13,8	25,48±3,97
LF, %	25,04±15,04	30,7±7,2*	34,56±3,58
HF, %	52,5±13,8	40,4±10,1*	41,96±2,97

Примечание: * - статистически значимые различия по отношению к контрольной группе животных; ** - статистически значимые различия по отношению к группе животных с однократным облучением  

Полученные результаты свидетельствуют о типовой стрессовой реакции организма животных на раздражитель, которым в данном случае является ТГц-облучение – как однократное, так и хроническое. При этом также типично, как и при многих других видах стресса, протекает динамика развития стресса и адаптации к нему: при однократном облучении краткосрочная адаптация возникает при умеренном напряжении симпатического отдела ВНС для адекватного обеспечения энерготропных функций, а при хроническом – долгосрочная адаптация с активацией парасимпатического отдела ВНС для обеспечения трофотропных функций организма.

По результатам исследований можно заключить, что в опытах на целостном организме тотальное низкоинтенсивное терагерцовое облучение крыс в изученном диапазоне доз и режимов приводит к изменениям вегетативного статуса животных, свидетельствующих как о стресс-активации висцеральных систем, так и об адекватной адаптации организма к ТГц – воздействию. Полученные данные могут свидетельствовать, что под влиянием терагерцовых волн происходит изменение как нервного, так и гуморального механизмов вегетативной регуляции функций в организме облученных животных. Дальнейшее изучение механизмов выявленных реакций, в том числе их развитие и обратимость во времени после облучения, позволит получить результаты, необходимые как при разработке допустимых санитарных норм ТГц-излучения, так и разработке методик терапевтических воздействий при нарушениях функций организма.

Список литературы / Referenses

1. Nanni E.A. THz dynamic nuclear polarization NMR / E.A. Nanni, A.B. Barnes and R.G. Griffin // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. – 2011. – Vol.1 – №1. – P.145-163.
2. Иванов А.Н. Регуляторные эффекты волн терагерцового диапазона частот / А.Н. Иванов // Бюллетень медицинских интернет-конференций. – 2012. – Т.2 – № 6. – С. 392-399.
3. Бецкий О.В. Молекулярные HITRAN спектры газов метаболитов в терагерцовом и ИК диапазонах частот и их применение в биомедицинских технологиях / О.В. Бецкий, А.П. Креницкий, А.В. Майбородин и др. // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. – 2007. – № 7. – С. 5-9.
4. Rothman L.S. The HITRAN molecular spectroscopic database: edition of 2000 including updates through 2001 / L.S. Rothman, A. Barbe, D. Chris Benner et.al. // Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. – 2003. – № 82. – Р. 5-44.
5. Ramundo-Orlando A. Permeability changes induced by 130 GHz pulsed radiation on cationic liposome’s loaded with anhydrase /A. Ramundo-Orlando, G.P. Gallerano, A. Doria // Bioelectromagnetics. – 2007. – № 8. – P. 587-598.
6. Гуляев Ю.В. Терагерцовая техника и ее применение в биомедицинских технологиях/ Ю.В. Гуляев, А.П. Креницкий, О.В. Бецкий и др. // Успехи современной радиоэлектроники. – 2008. – № 9. – С. 8-16.
7. Humphreys K. Medical applications of terahertz imaging: a review of current technology and potential applications in biomedical engineering / K. Humphreys et.al. // Conf. Proc. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. – 2004. – Vol. 2. – P. 1302.
8. Киричук В.Ф. Влияние электромагнитных волн терагерцового диапазона на живые системы / В.Ф. Киричук, Е.А. Андронов, О.Н. Антипова и др. // Бюллетень медицинских интернет-конференций. – 2012. – Т. 2 – № 6. – С. 421-425.
9. Семионкин Е.И. Психовегетативный статус больных колоректальным раком / Е.И. Семионкин // Российский медико-биологический вестник им. академика И.П. Павлова. – 2011. – №3. – С. 64-66.
10. Дерюгина А.В. Влияние электромагнитных волн терагерцового диапазона на мембранные характеристики эритроцитов/ А.В. Дерюгина, Л.В. Ошевенский, М.Н. Таламанова и др. // Биорадикалы и Антиоксиданты. – 2015. – Т.2 – №4. – С. 16-20.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Nanni E.A. THz dynamic nuclear polarization NMR / E.A. Nanni, A.B. Barnes and R.G. Griffin // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. – 2011. – Vol.1 – №1. – P.145-163.
2. Ivanov A.N. Reguljatornye jeffekty voln teragercovogo diapazona chastot [Regulatory effects of waves of the terahertz range of frequencies] / A.N. Ivanov // Bjulleten' medicinskih internet-konferencij [Bulletin of medical Internet conferences]. – 2012. – T.2 – № 6. – P. 392-399. [in Russian]
3. Beckij O.V. Molekuljarnye HITRAN spektry gazov metabolitov v teragercovom i IK diapazonah chastot i ih primenenie v biomedicinskih tehnologijah [Molecular HITRAN ranges of gases of metabolites in terahertz and Infrared ranges of frequencies and their application in biomedical technologies] / O.V. Beckij, A.P. Krenickij, A.V. Majborodin and others // Biomedicinskie tehnologii i radiojelektronika [Biomedical technologies and radiotronics]. – 2007. – № 7. – P. 5-9. [in Russian]
4. Rothman L.S. The HITRAN molecular spectroscopic database: edition of 2000 including updates through 2001 / L.S. Rothman, A. Barbe, D. Chris Benner et.al. // Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. – 2003. – № 82. – Р. 5-44.
5. Ramundo-Orlando A. Permeability changes induced by 130 GHz pulsed radiation on cationic liposome’s loaded with anhydrase /A. Ramundo-Orlando, G.P. Gallerano, A. Doria // Bioelectromagnetics. – 2007. – № 8. – P. 587-598.
6. Guljaev Ju.V. Teragercovaja tehnika i ee primenenie v biomedicinskih tehnologijah [Terahertz technique and its application in biomedical technologies] / Ju.V. Guljaev, A.P. Krenickij, O.V. Beckij and others // Uspehi sovremennoj radiojelektroniki [Progress of the modern radiotronics]. – 2008. – № 9. – P. 8-16. [in Russian]
7. Humphreys K. Medical applications of terahertz imaging: a review of current technology and potential applications in biomedical engineering / K. Humphreys et.al. // Conf. Proc. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. – 2004. – Vol. 2. – P. 1302.
8. Kirichuk V.F. Vlijanie jelektromagnitnyh voln teragercovogo diapazona na zhivye sistemy [Influence of electromagnetic waves of the terahertz range on live systems] / V.F. Kirichuk, E.A. Andronov, O.N. Antipova and others // Bjulleten' medicinskih internet-konferencij [Bulletin of medical Internet conferences]. – 2012. – T. 2 – № 6. – P. 421-425. [in Russian]
9. Semionkin E.I. Psihovegetativnyj status bol'nyh kolorektal'nym rakom [The psychovegetative status of patients with a colorectal cancer] / E.I. Semionkin // Rossijskij mediko-biologicheskij vestnik im. akademika I.P. Pavlova [Russian medicobiological messenger of the academician I.P. Pavlov]. – 2011. – №3. – P. 64-66. [in Russian]
10. Derjugina A.V. Vlijanie jelektromagnitnyh voln teragercovogo diapazona na membrannye harakteristiki jeritrocitov [Influence of electromagnetic waves of the terahertz range on membrane characteristics of erythrocytes] / A.V. Derjugina, L.V. Oshevenskij, M.N. Talamanova and others // Bioradikaly i Antioksidanty [Bioradicals and Antioxidants]. – 2015. – T.2 – №4. – P. 16-20. [in Russian]