14.4. Исследования на многоклеточных организмах

Исследования биологических эффектов ультразвука проводились на самых разных многоклеточных — растениях, насекомых, мелких животных и человеке. Здесь, однако, будут обсуждены работы, проведенные только на млекопитающих.

14.4.1. ЭФФЕКТЫ В КОСТЯХ И МЯГКИХ ТКАНЯХ

Вопрос о риске, возникающем при облучении костей и тканей взрослого организма весьма непрост, поскольку во многих случаях, например в физиотерапии, необходимы управляемые биологические изменения, и, как уже подчеркивалось раньше, эти изменения не должны быть опасными.

а) Эффекты в костях

Влияние кости, расположенной внутри мягкой ткани, на поглощение ультразвука уже обсуждалось в гл. 12. Вероятно главным эффектом, возникающим в кости, является нагрев ее надкостницы, поскольку из-за слишком большого поглощения ультразвуковой энергии в кости ультразвук не проникает в нее глубоко на частотах, применяемых в медицине.

Удивительно мало изучено влияние ультразвука на кость [13, 18]. Дайсон с сотр. показали, что ультразвуковое облучение места перелома полезно во время воспалительной или ранней пролиферационной фазы выздоровления, но, поскольку стимулирует рост хрящей, вредно в поздней пролиферационной фазе. Голдблат [18] сообщил, что перелом начинает срастаться быстрее сразу после

облучения, но затем эффект уменьшается и через 6—7 недель сросшаяся после ультразвукового воздействия кость не прочнее контрольного образца.

Барт и Вахсман [3] рассмотрели влияние ультразвука на кости собак разного возраста как при стационарном положении преобразователя, так и при его перемещении. Оказалось, что в молодых костях возникает утолщение, которое сопровождается потерей надкостницы. Пороговая интенсивность в режиме стационарного преобразователя была в пределах Подобные эффекты наблюдались и в старых костях, но развивались они дольше. Эти изменения обусловлены, по-видимому, нагревом надкостницы.

Наиболее вероятно, что главной проблемой при облучении костей будет нагрев надкостницы. Не исключено, что это и будет ограничивающим фактором в физиотерапии или гипертермических методах лечения в участках, где кости расположены близко к поверхности. У человека с нормальной чувствительностью чрезмерный нагрев надкостницы, вероятно, приведет к ощущению боли (см., например, [37]), и если процедуру облучения прервать при возникновении боли, то, вероятно, можно избежать повреждений. Особое внимание надо проявлять к пациентам с пониженной чувствительностью к боли, т. е. не имеющим подобной «системы предупреждения».

б) Эффекты в мягких тканях

Изменения ультраструктуры, вызываемые ультразвуком в неповрежденных тканях in vivo, уже обсуждались (см. разд. 14.3.1). Обобщая, можно сказать, что наиболее часто подвергаются воздействию внешние мембраны клеток, лизосомы и митохондрии.

Эффекты в мягких тканях были исследованы из-за растущего интереса к использованию ультразвука в физиотерапии. Ускорение заживления ран [12] и стимуляция регенерации тканей [10] уже обсуждались в разд. 13.3.2.1.

Когда гладкие мышцы млекопитающих облучаются ультразвуком, наблюдаются самые разнообразные эффекты — от изменения силы сокращений [19, 61] до уменьшения потенциала действия [31]. Эти эффекты наблюдаются при интенсивностях выше и, как считают, обусловлены изменениями в транспорте ионов через клеточные мембраны, вызываемыми акустическими микропотоками.

14.4.2. ВОЗДЕЙСТВИЕ НА КРОВЬ И КРОВЕНОСНЫЕ СОСУДЫ

Эритроциты являются компонентом крови, наименее чувствительным к повреждающему действию ультразвука. Считается, что гемолиз вызывается или кавитацией, или высокими гидродинамическими напряжениями [54, 70]. Есть, однако, некоторые признаки того, что гемолиз может происходить при терапевтических интенсивностях в случае коллапсирующей кавитации и в зонах турбулентных потоков [74]. Показано также, что АТФ может высвобождаться при низких средних по пространству интенсивностях, если эритроциты облучаются in vitro в присутствии стабильных газовых полостей [73].

Наиболее чувствительным компонентом крови являются тромбоциты. Независимо от места, где возникает гемолиз, повреждение тромбоцитов из-за возможного образования тромбов может привести к значительному риску.

Вильямс [71] показал in vitro, что повреждения тромбоцитов могут происходить из-за сдвиговых напряжений в окружающей жидкости существенно меньших тех, которые требуются для повреждения эритроцитов и других компонентов крови. Таким образом, при введении в суспензию тромбоцитов стабильных пузырьков повреждения могут быть замечены при средней по пространству интенсивности ниже [48].

Однако попытки обнаружить повреждения компонент крови при ультразвуковом облучении человека in vivo закончились неудачей [72]. Кажется маловероятным, что такие повреждения было бы легко обнаружить in vivo, поскольку малые количества поврежденных клеток быстро заменяются нормальными клетками из-за кровотока через данную область.

Показано, что облучение кровеносных сосудов в поле стоячей волны вызывает повреждения облученной стороны плазматических мембран как в сосудистой зоне эмбрионов цыплят [11], так и в сосудах матки мышей [20]. По внешнему виду и местоположению этих повреждений можно предположить, что они вызваны сдвиговыми напряжениями, обусловленными акустическими микропотоками. Когда повреждения наиболее сильны, можно заметить выход эритроцитов в окружающую ткань. Механизм повреждений связан с образованием стоячих волн, требующих определенного времени для своего развития до эффективных амплитуд. Поэтому избежать повреждений можно путем использования режимов с перемещающейся головкой ультразвукового преобразователя.

14.4.3. ПОСЛЕДСТВИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ОБЛУЧЕНИЯ ЭМБРИОНОВ

Естественен большой интерес к биологическим последствиям облучения эмбрионов в матке в основном из-за широкого использования ультразвуковых диагностических приборов в акушерстве. Были проведены исследования тератогенных и генетических эффектов, а также эволюционных изменений.

Большинство исследований проводилось на крысах и мышах. Эти эксперименты имеют множество недостатков. Сложно, например, количественно определять поле в столь мелких животных, а в большинстве экспериментов в ультразвуковой пучок попадала большая часть тела животного, в результате чего возникал нагрев всего тела.

Невозможно детально описать все исследования, проведенные на развивающихся эмбрионах, некоторые из них собраны в таб. 14.3. Оказалось, что в большинстве случаев, для которых наблюдались ненормальности в развитии зародышей, в матке возникало увеличение температуры выше 41,5°С [24, 25, 56]. Когда же не было такого роста температуры, зародыши оказывались нормальными. Лили [42] было показано, что гипертермия матки может приводить к разнообразным тератогенным эффектам, рассасыванию зародышей или задержкам их роста.

Курто с соавт. [8] нашли, что увеличенная смертность потомства мышей вызывалась облучением ультразвуком в непрерывном режиме интенсивностью SATA, 1 МГц. Эдмондс с соавт. [14] не смогли повторить эти результаты на частоте 2 МГц и интенсивности при различных сроках беременности. Имеется множество сообщений в литературе об уменьшении веса зародышей из-за облучения ультразвуком в матке [53, 59, 60].

Большинство из этих исследований было проведено на стадии формирования органов зародыша (около 8 дней для мышей, 9 дней для крыс). Несмотря на это, никаких существенных эффектов не было отмечено при интенсивностях, используемых в диагностике (см. табл. 14.3). Как свидетельствуют факты, маловероятно, чтобы применение ультразвуковой диагностической аппаратуры в акушерстве давало бы какое-либо увеличение тератогенных эффектов или аномалий развития. Кроме того, условия облучения экспериментальных мышей и крыс значительно отличаются от условий облучения людей. В экспериментах с грызунами ультразвуковой пучок шире размеров зародышей, тогда как в случае зародыша человека

(см. скан)

на стадии его наиболее частого исследования это не так. Маловероятно, что ультразвуковая аппаратура для диагностики человека дает значительное увеличение температуры.