Способ импульсного электромагнитного воздействия на клеточные культуры в медицинских или биологических целях

Изобретение относится к биологии и медицине и предназначено для подавления функций или разрушения клеточных культур.

В медицине и биологии хорошо известны методы физического воздействия на клетку: действие магнитных полей, звуковых колебаний, лазерного и ионизирующих облучений и другие.

Особое место среди всех физических методов воздействия занимает воздействие электромагнитными полями, как постоянными, так и переменными.

Попытки непосредственного воздействия ифранизкочастотным электромагнитным полем (ЭМП) на опухолевые ткани начали осуществлять достаточно давно. Известен способ лечения злокачественных новообразований путем воздействия прерывистым синусоидальным ЭМП (амплитуда индукции составляла 40 мТл.) (А.с. №522688, А61 №1/42, Опубл. 05.03.77). По результатам исследований отмечалось размягчение тканей опухоли. Однако эффективность такого воздействия ниже по сравнению с используемыми лучевой терапией и химиотерапией.

Наиболее близким решением является способ подавления функций и разрушения клеток злокачественных опухолей (патент РФ №2376043, МПК A61N 2/04, опубл. 20.12.2009), включающий облучение опухоли электромагнитным полем перед операцией удаления, при том, что облучение злокачественной опухоли проводят регулируемым локальным знакопеременным инфранизкочастотным импульсным электромагнитным полем (ЗИИ ЭМП) при индукции магнитного поля В=(120÷220) мТл, при времени релаксации переднего фронта импульса 0,01 с, продолжительности электромагнитного импульса tимп=0,75 с и паузы tпауз=0,5 с, с общим временем облучения 30 мин в течение 30 дней, при этом хирургическую операцию по удалению злокачественной опухоли проводят на 3-5 день после окончания курса облучения ЗИИ ЭМП.

Недостатком, заявленного технического решения является то, что данные по энергетическому и временному воздействиям весьма ограничены, хотя и имеют положительный эффект, но требуют довольно длительного (по времени) воздействия, что может вызвать и нежелательный побочный эффект.

Задачей предлагаемого технического решения является разработка способа импульсного электромагнитного воздействия на биологическую клетку с параметрами, существенно отличающимися от используемых в настоящее время.

Техническим результатом является повышение интенсивности подавления функций и последующее разрушение клеточных культур путем локального воздействия импульсного электромагнитного поля.

Технический результат достигается за счет того, что согласно способу клеточную культуру облучают импульсным электромагнитным полем при индукции магнитного поля В=(0,35÷4) Тл, частоте f=(10÷70) кГц, числом импульсов n=(3÷9) и скважностью t=(1÷3) с.

Реализация способа представлена следующими чертежами.

На фиг. 1 представлена схема физических процессов в биотканях при воздействии на них импульсным магнитным полем (ИМП);

на фиг. 2 изображена схема эксперимента воздействия ИМП на клетки.

Устройство для импульсного электромагнитного воздействия на биологическую клетку содержит индуктор 1 (токопровод), соединенный с магнитной импульсной установкой (МИУ).

Магнитное поле 2 с определенной напряженностью Н воздействует на биоткань 3. Наведенный в ткани импульсный ток 4 ослабевает на глубине Δ в "е" (2,7) раз.

Предлагается, использовать такой процесс магнитно-импульсной обработки, где параметры воздействия на биологическую клетку существенно отличаются от используемых в настоящее время в медицине (см. таблицу 1).

Учитывая, что биологическая клетка электропроводна, то этот факт предполагает влияние таких факторов как:

- наведение в клетке вихревых токов, как источник внутреннего дополнительного тепла (порождает тепловой эффект при воздействии на клетку, возникновение дополнительных потоков протоплазмы);

- силовое воздействие, возникающие электродинамические силы, которые могут привести к разрушению целостности мембраны;

- магнитное поле приводит к переориентированию зараженных частиц ионов клетки и изменению их функций.

Приведен пример эксперимента по оценке влияния параметров воздействия ИМП высокой напряженности на изменение физиологических параметров культуры мезенхимально-стромальных клеток человека (МСКч) in vitro 5, полученной из пупочного канатика новорожденного ребенка. Клетки в экспоненциальной фазе роста были рассажены на чашки Петри 6 приблизительно 39⋅10⁵ на чашку. При этом использовалась ростовая среда α-MEM (Пан-Эко, Россия) с содержанием 10% фетальной бычьей сыворотки (HyClone, USA) и 2-х мл глутамина (Пан-Эко, Россия). Культивирование клеток проводили в условиях CO₂ инкубатора при Т=37°C с содержанием углекислоты 5% и относительной влажности 85%.

На вторые сутки роста образцы культур МСКч подвергли воздействию ИМП. Далее, используя метод визуализации в проходящем свете (CarlZeiss, Observer, и системы фото-видеодокументации AxioVision, Германия), оценивали плотность культуры в 3-х полях зрения и морфологию клеток относительно необлученного контроля. Оценку проводили до воздействия ИМП, сразу после воздействия ИМП и далее каждые 24 часа роста, до достижения одним из образцов 100% плотности. Через 7 суток при достижении одним из образцов 100% плотности (образование монослоя) клетки дезагрегировали с пластика раствором 0,025% трипсина в буфере Версена с последующей отмывкой в буфере ПБС.Далее осуществляли оценку общего кол-ва клеток в образце, а так же жизнеспособности культуры (%) на автоматическом анализаторе ViCellXR (BecmanCoulter, USA).

Параметры МИУ представлены в таблице 2.

W - энергоемкость МИУ; U - напряжение заряда накопителя энергии МИУ; С - емкость МИУ; L₀ - собственная индуктивность; ƒ₀ - собственная частота.

Индукция магнитного поля для одновиткового индуктора достигает 1 Тл при W=250 Дж. При той же энергии индукция поля многовитковой катушки достигает 0,35 Тл.

Варьируемые в эксперименте параметры: энергия воздействия W=250, 500 и 1000 Дж, что обеспечивает соответствующее изменение напряженности магнитного поля Н=H(W). Использование двух индукторов с различным числом витков обеспечило два конечных значения диапазона частоты облучения f₁=70 кГц и f₂=10 кГц. Кроме того, на исследуемые культуры воздействовали сериями с разными количествами импульсов n=3, 5, 9.

Таким образом при индукции магнитного поля В=(0,35÷4) Тл, частоте f=(10÷70) кГц, числом импульсов n=(3÷9) и скважностью t=(1÷3) с. можно добиться повышения интенсивности подавления функций и последующее разрушение клеточных культур.

По результатам эксперимента было установлено, что непосредственно (спустя 1 час) после обработки клеточной культуры ИМП количество живых клеток резко уменьшилось (например, для некоторых режимов обработки с 90% до 20%). А спустя некоторое время количество нормальных клеток увеличивается (за счет регенеративного потенциала культуры), но не полностью. Так, через 5 суток количество морфологически корректных клеток в популяции может восстановиться до 80-85% по отношению к общему количеству клеток в поле зрения.

Оценка результатов экспериментов позволила определить влияние параметров магнитно-импульсного воздействия на морфологию и скорость деления клеток в образцах. Скорость восстановления жизнеспособности клеток на различных временных интервалах различна. Повышение жизнеспособности можно объяснить как размножением оставшихся клеток, так и регенерацией поврежденных.

Установлено также, что на жизнеспособность влияют как энергия воздействия, так и количество импульсов и частота разрядного контура. После воздействия, спустя, например, 24 часа, для большей части клеток характерны неправильная форма, увеличение размера в проекции на плоскость и формирование стресс-волокон. Это говорит о том, что клетки находятся в стрессовом состоянии. Через 48 часов наблюдалось частичное восстановление морфологии клеток до нормы, иногда с несколько более крупными размерами. Их количество почти полностью восстанавливается, что говорит о возобновлении цикла деления клеток.