THE ADAPTIVE RESPONSE OF ERYTHROCYTES UNDER THE ACTION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN THE TERAHERTZ RANGE

Дерюгина А.В.¹, Таламанова М.Н.², Хламова Ю.Н.³, Куваева С.С.⁴, Шабалин М.А.⁵, Ошевенский Л.В.⁶, Цветков А.И.⁷, Глявин М.Ю.⁸

¹ORCID: 0000-0001-8812-8559, Доктор биологических наук, Доцент, ²ORCID: 0000-0003-0512-6940, Кандидат биологических наук, ^3,4Студент, ⁵Ведущий инженер, ⁶Кандидат биологических наук, Доцент, Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, ⁷Кандидат технических наук, ⁸Доктор 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

АДАПТАЦИОННЫЕ РЕАКЦИИ ЭРИТРОЦИТОВ ПРИ ДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА

Аннотация

Исследовано действие электромагнитного излучения терагерцового диапазона на частоте 263 ГГц при плотности мощности излучения 0,1 – 0,5 мВт/cм², 0,01 – 0,05 мВт/cм², 0,001 – 0,005 мВт/cм² в импульсном режиме на эритроциты крови крыс в экспериментах in vitro. Проведено изучение электрофоретической подвижности эритроцитов (ЭФПЭ) методом микроэлектрофореза и концентрации в них АТФ неэнзимотическим методом. Показано, что при плотности мощности 0,1 - 0,5 мВт/см² наблюдалось увеличение концентрации АТФ и ЭФПЭ. Уменьшение плотности мощности излучения приводило к нивелированию выявленных эффектов.

Ключевые слова: терагерцовое излучение, эритроциты.

Deryugina A.V.¹, Talamanova M.N.², Hlamova Ju.N.³, Kuvaeva S.S.⁴, Shabalin M.A.⁵, Oshevenski L.V.⁶, Cvetkov A.I.⁷, Glyavin M.Yu. ⁸

¹ORCID: 0000-0001-8812-8559, PhD in Biology, Associate professor, ²ORCID: 0000-0003-0512-6940, PhD in Biology, ^3,4Student, ⁵Engineer, ⁶PhD in Biology, Associate professor, National Research Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod, ⁷PhD in Engineering, ⁸PhD in Physics and Mathematics, Associate professor, Federal state budgetary institution of science Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences (IAP RAS)

THE ADAPTIVE RESPONSE OF ERYTHROCYTES UNDER THE ACTION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN THE TERAHERTZ RANGE

Abstract

Studied the effect of electromagnetic radiation in the terahertz frequency of 263 GHz at a power density of radiation of 0.1 - 0.5 mW / cm² , 0.01 - 0.05 mW/cm², 0,001 - 0,005 mW/cm² in pulsed mode on erythrocytes of rats in the experiments in vitro. The electrophoretic mobility of erythrocytes (EPMЕ) was investigated by microelectrophoresis and the concentration of ATP in erythrocytes was investigated by neenzimotichesky method. It is shown that at a power density of 0.1 - 0.5 mW/cm² was observed increase of the concentration of ATP and EPMЕ. Reducing radiation power density resulted in a leveling of the identified effects.

Keywords: terahertz radiation, erythrocytes.

В патогенезе многих заболеваний значимым процессом является  расстройство гемодинамики, особенно явно проявляющееся на уровне микроциркуляторного русла. При ухудшении микроциркуляции ткани испытывают гипоксию, что приводит к усугублению патологического процесса. В современной клинической практике применяют различные медикаментозные препараты, обладающие антигипоксическим действием, однако их использование не всегда эффективно. Поэтому на сегодняшний день актуальным является поиск методов и средств воздействие уменьшающих ишемию органов и тканей, что позволит адаптировать организм и окажет благотворный эффект на последующее течение заболевания. Одним из таких методов может явиться электромагнитное излучение терагерцового диапазона частот (ЭМИ ТГц). Накоплено большое количество данных свидетельствующих о влиянии терагерцовых волн на систему крови, и, в частности, на микроциркуляцию. Выявлено восстановление нарушенной вязкости крови у животных, находящихся в состоянии острого иммобилизационного стресса [1, С.61], установлена нормализация внутрисосудистого компонента микроциркуляции под влиянием терагерцовых волн на частотах молекулярных спектрах излучения и поглощения оксида азота 150,176 – 150,664 ГГц у крыс-самцов в состоянии острого и длительного иммобилизационного стресса [2, С.586], установлена нормализация нарушенных вязкостных свойств цельной крови, агрегационной способности и деформируемости эритроцитов больных нестабильной стенокардией [3, С.36]. Данный фактический материал диктует необходимость исследования механизмов действия ЭМИ ТГц на микрореологические показатели крови. На микроциркуляцию и реологию крови существенное влияние оказывают эритроциты. Эритроциты, обладающие отрицательным поверхностным зарядом, не агрегируют между собой в сосудистом русле. Уменьшение отрицательного заряда приводит к повышению агрегации эритроцитов, нарушает текучесть крови, способствует замедлению кровотока в капиллярах, что может явиться причиной стаза крови. Поверхностный заряд клеток определяется структурой мембран и непосредственно связан с физико-химическими превращениями, происходящими на клетках.

Целью работы ставилось исследование действия ЭМИ ТГц-диапазона на функциональные характеристики эритроцитов. Поскольку точкой приложения ТГц-излучения, могут быть как структуры мембраны, так и процессы метаболизма в работе был проведен анализ изменения концентрации аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), характеризующей интенсивность метаболических процессов и электрофоретической подвижности эритроцитов (ЭФПЭ), являющейся функцией клеточных мембран и зависящей от ее структуры.

В работе проводили исследование действие различных режимов ЭМИ ТГц-излучения в экспериментах in vitro. В качестве объекта исследования использовали кровь белых крыс. Облучение крови крыс проводили дозированным по мощности излучением, источником которого служил автоматизированный микроволновый комплекс на базе гиротрона с рабочей частотой 263 ГГц, разработанный и изготовленный ИПФ РАН-ЗАО НПП ГИКОМ [4, Р.054705]. Проводили импульсный режим генерации ТГц длительностью 200 мс сериями по 300 импульсов со скважностью ½, таким образом, что суммарное время облучения составляло 1 мин. при плотности потока мощности излучения: в первой серии 0,1 – 0,5 мВт/см², во второй серии – 0,01– 0,05 мВт/см², в третьей серии – 0,001– 0,005 мВт/см². При исследовании действия каждого режима воздействия был проведен анализ 10 проб. Контролем служили образцы, находящиеся в тех же условиях, только без воздействия ЭМИ. Измерение электрофоретической подвижности эритроцитов (ЭФПЭ) осуществляли методом микроэлектрофореза [5, С.1298]. Содержание АТФ в суспензии отмытых эритроцитов исследовали неэнзиматическим методом, определяя неорганический фосфор в гидролизатах эритроцитов [6, С.39]. Статистическую обработку полученных данных проводили с использованием Т–критерия Стьюдента.

Проведенное исследование показало, что действие импульсного режима ЭМИ ТГц при плотности мощности излучения 0,1 – 0,5 мВт/см² определило увеличение концентрации АТФ более чем в 2 раза по сравнению с показателями контрольной группы. Снижение плотности мощности излучения (0,01 – 0,05 мВт/см²) не вызывало значимых изменений, тогда как уменьшение плотности мощности до 0,001 – 0,005 мВт/см² определило уменьшение АТФ до 50% от значений контроля. Исследование ЭФПЭ, характеризующую поверхностный заряд эритроцитов, выявило следующую направленность изменения данного показателя: при плотности мощности излучения 0,1 – 0,5 мВт/см²  и 0,01 – 0,05 мВт/см² ЭФПЭ увеличивалась на 15-20% от значений контроля, при плотности мощности до 0,001 – 0,005 мВт/см² имела тенденцию к уменьшению показателя. Таким образом, полученные результаты свидетельствуют об увеличении АТФ и ЭФПЭ при плотности мощности 0,1 – 0,5 мВт/см² и снижении исследуемых показателей при уменьшении плотности мощности ЭМИ ТГц-диапазона. Анализируя полученные реакции можно говорить, что АТФ служит донором фосфата для протеинкиназных реакций, осуществляющих фосфорилирование мембранных белков. В эритроцитах выявлено наличие различных протеинкиназ: цАМФ-зависимая протеинкиназа, цАМФ–независимая протеинкиназа, кальцийзависимая протеинкиназа, протеинкиназа С. Большинство белков цитоскелета являются фосфопротеинами, контроль за которыми обеспечивается через изменение уровня фосфорилирования белковых компонентов. В эритроцитарной мембране в наибольшей степени фосфорилированы молекулы белков полос 3, 4.1, 4.9, спектрина, анкирина [7. Р.235], [8, Р.1766]. Результатом увеличения уровня фосфорилирования белковых компонентов служит уменьшение сродства между их молекулами, что вызывает перестройку молекулярной архитектоники поверхности эритроцита. Учитывая, что белок полосы 3 является основным сиалогликопротеином мембраны и на 60-90% определяет отрицательный поверхностный заряд эритроцитов, можно полагать, что перераспределение поверхностного отрицательного заряда эритроцитов связано с модификацией как  интегральных белков, так и белков цитоскелета при изменении концентрации АТФ. Кроме того, варьирование внутриэритроцитарного содержания АТФ не изменяет упорядоченности фосфолипидов в мембране, но их подвижность максимальна при высоких концентрациях АТФ [9, Р.363]. Липидные молекулы, являясь важными структурными и функциональными компонентами мембраны эритроцита, регулируют подвижность и активность внутримембранных белков, что так же будет оказывать влияние на характер липидно-белковых взаимодействий в мембране эритроцита. Следовательно, одним из возможных молекулярных механизмов увеличения ЭФПЭ при действии терагерцовых волн является изменение метаболизма, опосредующее рост концентрации АТФ. В свою очередь, увеличение ЭФПЭ при действии терагерцовых волн может уменьшать агрегационные показатели эритроцитов, что существенно улучшает микроциркуляцию крови, и, соответственно, повысит адаптационные возможности организма.

Таким образом, повышение ЭФПЭ и концентрации АТФ при действии ЭМИ ТГц диапазона плотностью потока мощности излучения 0,1 – 0,5 мВт/см² можно рассматривать как механизм, обеспечивающий улучшение микроциркуляции и гемодинамики, повышающих общую неспецифическую резистентность организма.

Список литературы / References

1. Киричук В.Ф. Сравнительная эффективность различных режимов облучения волнами терагерцевого диапазона на восстановление реологических свойств крови при стресс‐реакции у белых крыс / В.Ф. Киричук, О.Н. Антипова, Е.В. Андронов и др. // Биомедицинская радиоэлектроника. – 2009. – № 6. – С. 55–62.
2. Киричук В.Ф. Изменения активности гликопротеидных рецепторов эритроцитов у белых крыс в состоянии стресса и их коррекция терагерцовыми волнами на частоте оксида азота / В.Ф. Киричук, С.В. Свистунов, Е.В. Андронов и др. // Саратовский научно‐медицинский журнал. – 2011. – Т.7, №3. – С. 583‐
3. Киричук В.Ф. Влияние терагерцовых волн на частоте оксида азота, находящихся в скрещенных магнитном и электрическом полях, на реологические свойства крови больных нестабильной стенокардией / В.Ф. Киричук, Е.В. Андронов, Н.В. Мамонтова и др. // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. – 2005. – № 3. – С. 34–38.
4. Glyavin M.Y. Experimental tests of 263 GHz gyrotron for spectroscopy applications and diagnostic of various media / Glyavin M.Y., Chirkov A.V., Denisov and others // Rev. Sci. – 2015. – V 86, № 5. – P. 054705. doi: 101063/1.4921322
5. Крылов В.Н. Электрофоретическая подвижность и активность Nа,К-АТФазы эритроцитов у крыс при стрессе / В.Н. Крылов, А.В. Дерюгина, А.И. Константинова // Росс. физиол. журнал им. И.М. Сеченова. – 2014. – Т.100, №11. – С. 1297-1302.
6. Крылов В.Н. Содержание АТФ и 2,3 ДФГ в эритроцитах при консервации и воздействии озона / В.Н. Крылов, А.В. Дерюгина, И.С. Симутис и др. // Биомедицина. – 2014. – №2. – С.37-43
7. Daleke D.L. Regulation of transbilayer plasma membrane phospholipid asymmetry / D.L Daleke. // J.Lipid Research. – 2003. – V.44. – P.233-242.
8. Eder P. Phosphorylation reduces the affinity of protein 4.1 for spectrin / P Eder, C Soong, M Nao // Biochemistry. – – V.25, №7. – P.1764-1770.
9. Mosior M. The effekt of ATP on the order and the mobility of lipids in bovine erythrocyte membrane / M Mosior, A Mikotazak, J Gomutkiewicz // Biochim. et biophys. acta biomembranes. – 1990. –V.1022, №3. – P.361-364.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Kirichuk V.F. Sravnitel'naja jeffektivnost' razlichnyh rezhimov obluchenija volnami teragercevogo diapazona na vosstanovlenie reologicheskih svojstv krovi pri stress‐reakcii u belyh krys [Comparative effectiveness of different radiation wave terahertz regime to restore the rheological properties of blood in stress-response of white rats] / V.F. Kirichuk, O.N. Antipova, E.V. Andronov and others // Biomedicinskaja radiojelektronika [Biomedical Radioelectronics]. – 2009. – № 6. – P. 55–62. [in Russian]
2. Kirichuk V.F. Izmenenija aktivnosti glikoproteidnyh receptorov jeritrocitov u belyh krys v sostojanii stressa i ih korrekcija teragercovymi volnami na chastote oksida azota [Changes in the activity of glycoprotein receptor of red blood cells in white rats under stress and their correction terahertz waves at a frequency of nitric oxide] / V.F. Kirichuk, S.V. Svistunov, E.V. Andronov and others // Saratovskij nauchno‐medicinskij zhurnal [Saratov Journal of Medical Scientific Research]. – 2011. – V.7, №3. – P. 583‐587. [in Russian]
3. Kirichuk V.F. Vlijanie teragercovyh voln na chastote oksida azota, nahodjashhihsja v skreshhennyh magnitnom i jelektricheskom poljah, na reologicheskie svojstva krovi bol'nyh nestabil'noj stenokardiej [Influence of terahertz waves at frequency of nitric oxide, which is in crossed magnetic and electric fields on the rheological properties of blood in patients with unstable angina] / V.F. Kirichuk, E.V. Andronov, N.V. Mamontova and others // Biomedicinskie tehnologii i radiojelektronika [Biomedical technology and radioelectronics]. – 2005. – № 3. – P. 34–38. [in Russian]
4. Glyavin M.Y. Experimental tests of 263 GHz gyrotron for spectroscopy applications and diagnostic of various media / Glyavin M.Y., Chirkov A.V., Denisov and others // Rev. Sci. Instr. – 2015. – V 86, № 5. – P. 054705.
5. Krylov V.N. Jelektroforeticheskaja podvizhnost' i aktivnost' Na,K-ATFazy jeritrocitov u krys pri stresse [Electrophoretic mobility and activity of Na, K-ATPase in rats under stress] / V.N. Krylov, A.V. Derjugina, A.I. Konstantinova // Ross. fiziol. zhurnal im. I.M. Sechenova [Sechenov Physiology Journal]. – 2014. – V.100, №11. – P. 1297-1302. [in Russian]
6. Krylov V.N. Soderzhanie ATF i 2,3 DFG v jeritrocitah pri konservacii i vozdejstvii ozona [The ATF and 2,3 DFG in erythrocytes in preservation and ozone] / V.N. Krylov, A.V. Derjugina, I.S. Simutis and others // Biomedicina [Biomedicine]. – 2014. – №2. – P.37-43. [in Russian]
7. Daleke D.L. Regulation of transbilayer plasma membrane phospholipid asymmetry / D.L Daleke. // J.Lipid Research. – 2003. – V.44. – P.233-242.
8. Eder P. Phosphorylation reduces the affinity of protein 4.1 for spectrin / P Eder, C Soong, M Nao // Biochemistry. – – V.25, №7. – P.1764-1770.
9. Mosior M. The effekt of ATP on the order and the mobility of lipids in bovine erythrocyte membrane / M Mosior, A Mikotazak, J Gomutkiewicz // Biochim. et biophys. acta biomembranes. – 1990. –V.1022, №3. – P.361-364.