2
Оглавление
введение....................................................................................4
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................10
1.1. ФИЗИКА ФОРМИРОВАНИЯ НАДМОЛЕКУЛЯРНЫХ СТРУКТУР В ЭЛЕКТРОЛИТАХ.........................10
1.2. СТРОЕНИЕ ЭРИТРОЦИТОВ...............................................................11
1.3. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КРОВИ.................................................19
I а. Основные направления исследовании...................................................21
/. 4. /. Электрические свойства крови...................................................21
1.4.2. Общие сведения о магнитооптических эффектах......................................39
1.4.3. РЕОСЕЯНИЕ СВЕТА ЭРИТРОЦИТА МИ....................................................45
/. 4.4. Скорость оседания эритроцитов...................................................48
Проблема стандартизации значений СОЭ в норме и как они отличаются при различных патологиях 51
) .5. Обзор классических методов постановки эксперимента..................................69
/. 5.6. Методика IТанченкова............................................................69
1.5.7. Метод Винтроба...................................................................69
1.5.8. Метод Вестергреча................................................................70
2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ, РАЗРАБОТКА И
ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ РЕШЕНИЯ НАУЧНОЙ ЗАДАЧИ.................................................71
2.1. Образцы и методика эш ihphmeh i a...................................................71
2.1.1. Подготовка образцов крови для исследований вне организма.........................71
2.2. Установка для измерения тангенса угла между приложенным к образцу напряжением и
ВОЗНИКАЮЩИМ ТОКОМ СМЕЩЕНИЯ В ОБРАЗЦАХ КРОВИ...............................................76
2.3. УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАП4ИТ110Й ПРО! !ИЦАЕМОСТИ КРОВИ МЕТОДОМ LC-РКЗОИАТОРА......78
2.4. УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТА ФАРАДЕЯ ПА РАССЕЯННОМ КРОВЬЮ ИЗЛУЧЕНИИ И НА СУХИХ
МАЗКАХ КРОВИ..............................................................................81
2.5. УСТАНОВКА ДЛЯ СПЕКУРОФОТО.МЕТРИЧПСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ СУХИХ МАЗКОВ КРОВИ В ВИДИМОЙ И
БЛИЖНИХ УФ И ИК-ОБЛАСТЯХ СПЕКТРА (320-790 ИМ).............................................82
2.6. УСТАНОВКА ДЛЯ РЕГИСТРАШШ СКОРОСТИ ОСЕДАНИЯ ЭРИТРОЦИТОВ КРОВИ........................83
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.............................................................88
3.1. Результаты исследований временного сдвига пика кривой зависимости тангенса угла между
ПРИЛОЖЕННЫМ к образцу напряжением и возникающим ТОКОМ смещения от частоты приложенного ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ....................................................................89
3.2. Результаты исследования магнитной проницаемости образцов крови в процессе оседания
ММС (ЭРИТРОЦИТАРНОЙ МАССЫ) МЕТОДОМ ИЗМЕРЕНИЯ РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЫ LC-PE30H АТОР А,
СОДЕРЖАЩЕГО КАПИЛЛЯР С КРОВЫО.............................................................90
3.2.1. Сравнительный анализ временных зависимостей ухода резонансной частоты I.С-резопатора дли случаев заполнения рабочего капилляра различными жидкостями....................90
3.2.2. Сравнение характеристик ухода резонансной частоты для пациентов с различными видами патологий..........................................................................91
3.3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВОРОТА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, РАССЕЯННОГО ЭРИТРОЦИТАРНОЙ МАССОЙ, ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЕЙ ИНДИКАТРИСЫ РАССЕЯНИЯ . 93
3.3.1. Непосредственные результаты измерения поворота в магнитном поле плоскости поляризации лазерного излучения................................................................93
3.3.2. Результаты исследования остаточной намагниченности...............................98
3.4. Результаты исследования магнитооптического эффекта Керра ка сухих мазках крови 101
3.5. Результаты исследования спектров пропускания сухих мазков крови в видимом и ближнем
ИК-ДИАПАЗОИЕ............................................................................101
3.5.1. Временная эволюция спектров по мере высыхают мазка............................101
з
3.6. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ НЕМОНОТОННОГО ПОВЕДЕНИЯ СКОРОСТИ ОСЕДАНИЯ ЭРИТТОЦИТОВ КРОПИ
В ПОЛЕ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ......................................................................103
3.7. ФУРЬЕ-ЛНАЛИЗ КРИВЫХ СОЭ. СРАВНЕНИЕ ФУРЬЕ-КОМПОНЕНТ СОЭ ВДОЛЬ РАДИАЛЬНЫХ СРЕЗОВ
РАБОЧЕГО КАПИЛЛЯРА С КРОВЬЮ..............................................................111
3.8. КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ФУРЬЕ-КОМПОПЕНТ СОЭ С ЧИСЛЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ЭРИТРОЦИТОВ
В КРОВИ ДОНОРА...........................................................................113
3.8.1. Фурье-анапиз временных зависимостей ухода резонансной частоты LC-резонатора...115
4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ..................................................................115
4.). Физика микромехлпизма наблюдаемых явлений..........................................115
4.2. Основные положения лог ической схемы объяснения полученных результатов.............121
Фундаментальный вывод....................................................................124
4.3. Предлагаемая квантово-химическая схема связей молекулы тема и возникновения
МАГНИТНОГО МОМЕНТА ГЕМА В ПРОЦЕССАХ ПРИСОЕДИНЕН ИЯ-071 ЦЕПЛКНИЯ МОЛЕКУЛ КИСЛОРОДА, УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА, УГАРНОГО ГАЗА, окиси азота и ВОДЫ................................................125
4.4. Качественное решении задачи анализа релевского рассеяния света He-ne - лазера
отдельными эритроцитами и эритроцитарными сверхструктрурами..............................129
4.5. Магнитооптический эффект Фарадея в вещес гве эритроцита............................131
4.6. Основные результаты работы.........................................................133
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................134
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
136
Введение
4
В настоящее время все большее внимание исследователей привлекает изучение биологических объектов с позиций современной физики. Одним из таких объектов является кровь, которая представляет собой биоэлектролит, в котором взвешены структурные элементы, позволяющие крови выполнять биологические функции. В первую очередь к таким структурным элементам относят эритроциты, которые являются надмолекулярными образованиями, то есть структурами более высокого уровня по отношению к белкам, из которых они построены. В то же время, присутствующие в цельной крови эритроцитарные агрегаты являются по отношению к эритроцитам структурами еще более высокого уровня организации, то есть молекулярными сверхстру к гурами.
Несмотря на многолетние интенсивные исследования крови как физической системы, до сих пор остается открытым целый ряд вопросов. Остается не до конца изученной природа связей, позволяющих образовывать надмолекулярные сверхструктуры, а точнее метастабильные молекулярные свсрхструктуры (ММС) из эритроцитов (так называемые «эритроцитарные агрегаты» (ЭЛ)). Отсутствие фундаментальных исследований процессов организации и дезорганизации ММС не дает возможности прояснить физическую сущность такого процесса, как оседание эритроцитов и эритроцитарных агрегатов в поле силы тяжести (в клинической практике на основе данного феномена разработан диагностический тест на скорость оседания эритроцитов (СОЭ)). Не выясненными остаются также роль внешних факторов, влияющих на СОЭ. К таким факторам относятся внешние электрические и магнитные поля, температура и влажность окружающей среды, форма и состояние поверхности рабочих капилляров, используемых для анализа и др. Продвижение в сторону прояснения этих вопросов позволило бы не только построить адекватную физическую модель, отражающую сущность
вышеупомянутых процессов, но и связать характеристики этих процессов с новыми, болсс точными, методами диагностики состояния живых организмов.
Актуальность темы.
Исследование релаксационных процессов, происходящих в молекулярных с верх структурах, является одной из важнейших задач таких разделов современной физики как физическая электроника, кристаллофизика и наноэлектроника, биофогоника и многие другие. Общий интерес к указанной области исследований обусловлен как фундаментальной, так и прикладной значимостью данного направления. В свете научных достижений последних лет оказываются крайне важными исследования процессов, сопровождающихся образованием мстастабильных молекулярных сверхструктур (ММС). Особенностью такого рода образований является возможность управления их параметрами за счет слабых внешних воздействий, например, за счет влияния .магнитного поля малой напряженности. ММС, наблюдаются, в частности, в крови человека, что делает весьма ценной любую новую информацию, получаемую при изучении подобных сверхструктур. Исходя из приведенных выше соображений, в данной диссертационной работе в качестве объекта исследований была выбрана кровь, как система, в которой существуют самоорганизующиеся ММС, состоящие из эритроцитов. Ценность исследований релаксационных процессов ММС, определяется как общефизическим, фундаментальным интересом к глубинным механизмам формирования молекулярных сверхструктур, так и потенциальными возможностями практического использования получаемых сведений как базы для совершенствования клинических методов диагностики различных заболеваний.
Фундаментальный интерес обусловлен, отсутствием ясности в понимании физического механизма естественного регулирования характеристик самоорганизующихся ММС, несмотря на то, что в литературе предложены многочисленные модели этого явления, неплохо обоснованные как экспериментально, так и теоретически, но чаще всего взаимно исключающие
6
друг друга. Причиной противоречивости является недостаточность информации о релаксационных процессах, происходящих в метастабштьных самоорганизующихся системах, что не позволяет построить детальную модель механизма формирования ММС.
Прикладной интерес к данной проблеме определен тем, что получение информации о причинах, обуславливающих организацию и дезорганизацию ММС, дает возможность контролировать указанные процесс. Данные эффекты могут быть использованы как основа для разработки новых принципов хранения, обработки и передачи информации, в том числе, биотехнологической. Результаты подобного рода исследований способны играть ключевую роль в понимании процессов, ведущих к отклонениям в работе организма человека как целостной взаимосвязанной системы, то есть в выявлении путей развития заболеваний. Исследования в данной области могут также помочь в разработке новых экспресс-методов диагностики многих видов патологий живых организмов.
В связи с вышесказанным актуальность выбранной темы исследований диссертационной работы исследований представляется вполне обоснованной.
Цель работы.
Целью данной работы явилось выявление и научное обоснование релаксационных механизмов самоорганизации кластерных эритроцитарных свсрхструктур в биоэлектролитах на примере исследования крови человека, а также получение новых данных о физических параметрах вещества эритроцита.
Практическая цель диссертационной работы заключалась в создании базы для разработки новых методов исследования релаксационных параметров кластерных сверхструктур в крови, а также развитие методов анализа полученных данных с определением рекомендаций по интерпретации на микроуровне макропараметров крови, измеряемых в клинических условиях.
Для достижения поставленных целей было проведено исследование закономерностей формирования эритроцитарных агрегатов, визуально наблюдаемых на разработанных автором установках, а также исследованы
7
магнитные, электрические и оптические свойства самоорганизующейся метастабильной эритроцитарной массы при различных степенях кластеризации эритроцитов. Кроме того, изучалось изменение параметров релаксационных процессов в массе эритроцитов при наложении электрических и магнитных полей. Реализация данных задач оказалась возможной благодаря успешному развитию техники физического эксперимента, что позволило создавать более точные, чем раньше, инструменты исследования, успешно применяемые к столь сложным объектам, как человеческая кровь.
В процессе разработки предложенной темы были решены следующие задачи:
1. Обобщены и переработаны существующие модели, описывающие поведение структурных элементов крови в ходе формирования метастабильных эритроцитарных кластерных агрегатов;
2. Разработан комплекс автоматизированных экспериментальных установок;
3. Изучены электрические и магнитные свойства биоэлектролитов;
4. Создана модель процесса образования метастабильных молекулярных сверхструктур.
Таким образом, данная диссертационная работа призвана сыграть роль связующего звена между фундаментальными исследованиями физических процессов, протекающих на молекулярном уровне в веществе составных элементов крови, и прикладными задачами управления процессами самоорганизации кластерных сверхструктур.
Научная новизна и теоретическая значимость работы.
В данной работе на основе полученных результатов построена новая модель формирования молекулярных сверхструкгур, основанная на анализе баланса вкладов магнитных и электрических сил взаимодействия эритроцитов между собой и с их окружением. Показано, что магнитные свойства эритроцитов играют в этом балансе решающую роль. Дано новое объяснение процессам, приводящим к релаксационным изменениям физических параметров
8
биоэлектролитических жидкостей с самоорганизующимися метастабильными
кластерными элементами (в частности, крови). Изучены магнитооптические
свойства таких жидкостей.
Практическая значимость.
Результаты данной работы могут быть использованы для:
1) разработки новых методов контроля поведения самоорганизующихся
систем;
2) разработки средств доставки нанообъектов;
3) создания новых запоминающих устройств;
4) создания кровезамещающих растворов;
5) разработки новых экспресс методов диагностики заболеваний человека;
6) контролирования процессов самоорганизации ММС.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Размеры эритроцитарных сверхструктур, оседающих в вязком биоэлектролите, стабилизируются благодаря магнитным взаимодействиям между эритроцитами агрегата, которые обладают собственным магнитным моментом.
2. Временная немонотонность Скорости Оседания Эритроцитарных Свсрхструктур (СОЭС) связана с процессами
самоорганизации/дезорганизации эритроцитарных кластерных агрегатов при их оседании в поле силы тяжести.
3. Магнитное вращение плоскости поляризации света, рассеянного взвесью эритроцитов, обусловлено ориентированием эритроцитов в этом поле, а также расщеплением в магнитном поле уровней энергии электронов в ионах железа гема.
4. Временная эволюция магнитной проницаемости эритроцитарной массы обусловлена как изменением магнитных моментов эритроцитов и составленных из них а!регатов, гак и временной трансформацией диэлектрических свойств плазмы крови, включая основной носитель клеточных структур крови — физиологический раствор. Максимум на
кривой временной эволюции магнитной проницаемости крови отражает немонотонную релаксацию магнитных моментов гемов при монотонности процесса их взаимодействия с кислородом.
5. Низкочастотный временной сдвиг положения максимума на кривой частотной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь крови обусловлен эволюцией функции распределения метастабильных эритроцитарных кластерных свсрхструктур в сторону их укрупнения, тогда как временная нестабильность численного значения тангенса угла диэлектрических потерь связана с флуктуациями размеров эритроцитарных агрегатов в процессе - самоорганизации/дезорганизации.
Достоверность результатов и обоснованность выводов исследования.
Достоверность результатов исследования обусловлена использованием современных экспериментальных методик, взаимной проверкой полученных результатов, совпадением (в пределах точности измерений) данных, полученных различными методами, сравнением полученных численных значений с литературными данными в тех случаях, когда это возможно.
Обоснованность выводов исследования базируется на применении хорошо апробированных в мировой науке теоретических моделей, взаимной непротиворечивости сделанных научных заключений и наличии теоретических предсказаний, подтвержденных практикой в процессе последующих экспериментов.
Апробация результатов исследования.
Основные положения и результаты докладывались: на научных семинарах кафедры прикладной физики и оптики твердого тела СПбГПУ; на научных семинарах лаборатории физики фазовых переходов в твердых телах ФТИ им. Иоффе РАН; Всероссийской научной конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2005 г.); Международной конференции «Dielectrics-2008 (iCD-2008)» (Saint-Petersburg, 2008г.).
10
Личный вклад автора заключается в том, что им получен экспериментальный материал, проведены необходимые расчеты, сформулированы выводы. Научный руководитель Е.Б. Шадрин принимал участие в постановке задачи, обсуждении полученных результатов, редактировании печатных работ. Публикации достаточно полно отражают основные положения и результаты исследования.
Публикации. Основное содержание работы отражены в 6 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии, содержащей 136 источников. Работа содержит 148 страниц текста, 70 рисунков и 4 таблицы.
1. Обзор литературы
1.1. Физика формирования надмолекулярных структур в
ЭЛЕКТРОЛИТАХ
Что такое «надмолекулярная структура»? О надмолекулярных структурах имеет смысл говорить лишь в том случае, если мы имеем дело с полимерными материалами или их производными, поскольку сам термин «надмолекулярная структура» подразумевает образование и согласованное действие нескольких макромолекул. Под термином «макромолекула» будем подразумевать «большую» молекулу или молекулу полимера, которая построена по принципу повторения идентичных или различных структурных единиц — мономерных (повторяющихся) звеньев [1]. Согласно Большой Советской Энциклопедии [2] надмолекулярная структура - это «физическая структура полимерных тел, обусловленная различными видами упорядочения макромолекул». Полимеры в аморфном состоянии обладают ближним порядком в расположениях макромолекул, который в соответствии с большими размерами полимеров и меньшей подвижностью должен проявляться в значительно больших объёмах и сохраняться намного дольше, чем в аморфных низкомолекулярных веществах. В. А. Каргин, А. И. Китайгородский и Г. Л. Слонимский, сравнивая строение жидкостей и аморфных полимерных тел полимеров [3], пришли к выводу, что
11
простейшими формами надмолекулярных структур в аморфном состоянии полимеров являются глобулярные или фибриллярные (пачечные) агрегаты макромолекул, представляющие собой длительно живущие флуктуационные образования большого размера. Эти простейшие образования, для возникновения которых достаточно действия даже слабых (ван-дер-ваальсовых) сил, при наличии в макромолекулах сильно взаимодействующих (например, ионных) групп способны агрегироваться в более сложные, формы надмолекулярных структур.
Различия в надмолекулярных структурах заметно влияют на физические свойства полимера. Данный факт объясняет причину того, что физические свойства полимера не определяются одним лишь его химическим строением. Направленное изменение надмолекулярной структуры, достигаемое температурными, механическими и другими воздействиями, существенно влияет на комплекс свойств полимерного тела. Как было сказано выше для образования молекулярной сверхструктуры достаточно наличие слабых взаимодействий, следовательно, если данное макротело будет находиться в периодически меняющемся внешнем поле (электрическом, магнитном или гравитационном), то можно наблюдать процессы организации и дезорганизации таких структур. К таким образованиям возможно применения термина «метастабильная сверхструктура». В частности, в крови можно наблюдать такие образования, состоящие из эритроцитов, в периодически меняющемся внешнем поле (электрическом, магнитном или гравитационном).
1.2. СТРОЕНИЕ ЭРИТРОЦИТОВ
Что выделяет крові, в ряду друг их электролитов?
Кровь человека составляет примерно 8% от массы тела [4]. Она состоит из клеток, клеточных фрагментов и водного раствора - плазмы.
Одной из основных функций крови является газообмен. Жизнь человека связана с процессом дыхания. В среднем человеческий организм ежеминутно поглощает 1 л кислорода [5]. Первоначально поглощение кислорода
12
происходит в альвеолах легких - мельчайших пузырьках, наполненных воздухом и окруженных жидкой пленкой, которая, в свою очередь, пронизана тонкими капиллярными кровеносными сосудами. Растворенный в крови кислород связывается и разносится по организму красными кровяными тельцами (ККТ) - эритроцитами, число которых может достигать 27 триллионов [5].
Большая суммарная поверхность альвеол и эритроцитов дает возможность организму человека перерабатывать значительное количество кислорода.
л
«Удельная поверхность эритроцитов крови человека достигает 5000 м /кг; примерно такой же удельной поверхностью обладает космическая пудра.» [5]
Кровь осуществляет в организме различные функции. Она является транспортным средством, поддерживает постоянство «внутренней среды» организма (гомеостаз) и играет главную роль в защите от чужеродных веществ
[4].
Транспортная функция.
Кровь переносит газы - кислород и диоксид углерода, а также питательные вещества. Такой транспорт обеспечивает снабжение органов и обмен веществ в тканях, а также перенос конечных продуктов метаболизма для их выведения из организма. Кровь осуществляет также перенос гормонов в организме.
Гомеостаз.
Кровь поддерживает водный баланс между кровеносной системой, клетками и внеклеточной средой. Поддержание температуры тела также зависит от контролируемого кровью транспорта тепла.
Защита.
Против чужеродных молекул и клеток, проникающих в организм, кровь обладает неспецифическими и специфическими механизмами защиты. К специфической защитной системе относятся клетки иммунной системы и антитела.
- Київ+380960830922