14.3. Исследования на изолированных клетках
Исследование на изолированных клетках в культуре может дать полезную информацию на фундаментальном уровне об изменениях, вызванных ультразвуком в строго определенных условиях облучения. В оптимальных условиях клетки должны содержаться в таком контейнере, который как можно меньше возмущал бы ультразвуковое поле.
В рамках данной главы невозможно процитировать все доказательства изменений в клетках, вызванных ультразвуком. Вместо этого будут представлены некоторые примеры, взятые из работ на клетках млекопитающих.
Имеется множество явлений, которые используются при исследовании воздействий внешних факторов на клетки. Их можно разделить на грубые эффекты, такие, как лизис, подавление репродуктивных способностей, разрушение клеточной ультраструктуры, и более тонкие эффекты, такие, как изменение характера роста, хромосомные и функциональные изменения.
14.3.1. ЛИЗИС КЛЕТОК
Свидетельства того, что облучение ультразвуком клеток в суспензии приводит к их лизису, многочисленны и несомненны. Показано, что кавитация является основной причиной полного разрушения клеток, и по этому поводу опубликовано уже большое число работ (см., например, [33, 46]). Неясно, однако, как ультразвук может вызывать лизис клеток в отсутствие кавитационных эффектов. Лизис, если он происходит, возникает сразу же в результате ультразвукового облучения, без временной задержки; при этом наибольшей чувствительностью обладают клетки, находящиеся в стадии митоза [7].
14.3.2. РЕПРОДУКТИВНАЯ СПОСОБНОСТЬ
Мерой биологических эффектов, общепринятой в радиобиологии, является проба клонированием. Она позволяет оценить способность клетки делиться и давать жизнеспособное потомство после воздействия.
В общем, клетки, которые пережили воздействие ультразвука и остались неповрежденными, продолжают давать потомство точно так же, как и их необлученные двойники [4, 46]. Исключение, как оказалось, составляли клетки, которые облучались ультразвуком при повышенной температуре [21, 38]. Было установлено, что потери репродуктивных свойств этими клетками выше, чем у клеток, подвергавшихся только нагреву. Механизм этого эффекта неясен, но, по-видимому, он нетепловой и некавитационный по своей природе [47].
14.3.3. ИЗМЕНЕНИЯ УЛЬТРАСТРУКТУРЫ КЛЕТОК
Были изучены многие аспекты воздействия ультразвука на клеточную ультраструктуру. Обнаружилось множество изменений; некоторые из них не обязательно вызывали гибель клеток.
Изменения в наружных клеточных мембранах, вызванные ультразвуковым облучением, обычно проявляются в изменениях ионной проницаемости мембран. Примером может служить обратимое изменение проницаемости плазматических мембран клеток вилочковой железы, приводящее к уменьшению содержания калия в клетке под действием ультразвука интенсивностью 
и частотой 1,8 МГц in vitro [6].
Исследования в электронном микроскопе клеток, облученных ультразвуком терапевтической интенсивности, выявили повреждения различных органелл и, в первую очередь, митохондрий. При ультразвуковом воздействии на ткани были отмечены повреждения лизосом с последующим освобождением лизосомальных ферментов. Неясно, являются ли повреждения лизосом прямым или косвенным результатом воздействия ультразвука [9, 30, 63].
Повреждение цитоплазматической мембраны с облученной стороны эндотелия кровеносных сосудов под действием поля стоячих волн было отмечено как в куриных эмбрионах, так и в сосудах матки мышей [11, 20].
Когда к механизмам воздействия добавляется кавитация, то наблюдаются не только повреждения мембран и митохондрий, но и
растяжения и некоторые повреждения ретикулоэндотелиальной сети [27].
По-видимому, ядра клеток относительно мало подвержены действию ультразвука: единственный вид повреждений, замеченный в эксперименте, — это щелевидные вакуоли на ядерных мембранах [20]. В работе [65] было сделано предположение, что внутри клеток могут образовываться кавитационные пузырьки и что мембраны ядер митохондрий и гранулярной эндоплазматической сети могут играть роль кавитационных зародышей. Если бы ультразвуком подействовали на изолированные органеллы, то наблюдаемый эффект можно было бы объяснить повреждением их мембран.
14.3.4. ДНК И ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
Ультразвук достаточно высокой интенсивности может привести к деградации ДНК в растворе. Это явление обусловлено кавитацией, а повреждения — гидродинамическими сдвиговыми напряжениями, образованием свободных радикалов или чрезмерным нагревом [64]. Маловероятно, чтобы это было возможно в условиях медицинских ультразвуковых экспозиций.
Многочисленные исследования посвящены изучению хромосомных изменений и обмена сестринскими хроматидами под действием ультразвука. И было показано, что ультразвук даже достаточно высокой интенсивности (
не вызывает повреждений хромосом (исчерпывающий обзор см. [55]). Показано, однако, что хромосомные аберрации могли возникать, когда за рентгеновским облучением в дозе 100 рад 
Грей следовало воздействие ультразвуком интенсивностью 
и частотой 810 кГц, но не в случае обратной последовательности [35].
Анализ обмена сестринскими хроматидами (SCE) часто применяется в качестве средства для исследования воздействия потенциально мутагенных агентов на клетки млекопитающих, хотя связь выводов для отдельной клетки и для целого организма пока плохо понята [17, 36]. Сообщение, что диагностический ультразвук может вызывать SCE in vitro [39] стимулировало взрыв публикаций на эту тему, некоторые из них обобщены в табл. 14.2, причем в большинстве работ показано, что результат воздействия отрицательный даже при интенсивностях вплоть до 
в режиме непрерывного излучения).
Известно, однако, одно сообщение о том, что ультразвук может вызывать разрушения хромосом, но это сообщение не
Таблица 14.2. Обмен сестринскими хроматидами, вызванный ультразвуком
подтверждено независимыми исследованиями в других лабораториях, а в большинстве опубликованных и тщательно документированных работ хромосомные аберрации под действием ультразвука не наблюдались. Следует отметить, что эти исследования проведены в основном in vitro, когда механизмы воздействия совсем необязательно те же, что и в тканях in vivo.
14.3.5. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ
Ультразвук может стимулировать или подавлять функции клеток. Пример его стимулирующего действия — увеличение синтеза белка при облучении фибробластов человека in vitro (см. разд. 13.3.2.1).
Большинство функциональных изменений обусловлены взаимодействием на уровне внешней мембраны клеток. Известно, например, что ультразвук может воздействовать на электрофоретическую подвижность клеток [62]. Это отражает изменение плотности поверхностного электрического заряда клетки (возможно, из-за изменения ее объема [51]), наблюдавшееся in vitro при кавитации, вызывающей лизис клеток [32].
Периодическое микрофотографическое исследование клеточной подвижности показывает, что вызванные ультразвуком изменения могут сохраняться в нескольких поколениях [41]. Значение этого факта для экспериментов по воздействию ультразвука in vivo далеко не ясно.
