Применение метода измерения электропроводности в биологических и медицинских исследованиях

В настоящее время метод измерения электропровод­ности довольно широко применяется в биологических и медицинских исследованиях. Удобство в применении данного метода заключается в том, что используемые напряжения (менее 50 мВ) не вносят существенных из­менений в физико-химические процессы, происходящие в биологическом объекте, и тем более не повреждают его.

Метод нашел широкое применение при изучении про­цессов, происходящих в живых клетках и тканях при из­менении физиологического состояния, при патологиче­ских состояниях, при действии повреждающих факторов: температуры, излучения, ультразвука и т. д.

Так, большую ценность имеют работы по измерению емкости и сопротивления мембраны при прохождении потенциала действия. Как указывалось, на низких часто­тах сопротивление объекта может служить мерой про­ницаемости мембран, поэтому с помощью метода элект-

226

ропроводности можно изучать проницаемость мембран для ионов.

При патологических процессах в тканях также про­исходит изменение их электрических свойств. Например, при воспалении в первых стадиях процесса происходит увеличение сопротивления тканей. Особенно сильный эффект наблюдается при измерении на низких частотах, когда все измеряемое сопротивление представлено в ос­новном сопротивлением межклеточных пространств. При воспалении происходит набухание клеток, объем меж­клеточных пространств уменьшается, в результате чего и увеличивается омическое сопротивление. В первой ста­дии процесса воспаления структура клеток еще заметно не изменяется и емкость сохраняет свою величину. Оче­видно, увеличение сопротивления при сохранении емко­сти всегда свидетельствует о набухании тканей, а умень­шение сопротивления при сохранении емкости, наобо­рот, указывает на уменьшение объема клеток. В более поздних стадиях воспаления происходят глубокие струк­турные изменения, дальнейшее увеличение клеточной проницаемости, что сопровождается уменьшением емко­сти и сопротивления. Таким образом, измерение элект­рических параметров тканей может служить средством для диагностики воспалительных процессов.

Большое распространение метод электропроводности получил для оценки действия различных повреждающих факторов. При действии повреждающих факторов, а также при отмирании ткани происходит увеличение про­ницаемости мембран и как следствие увеличения ион­ных потоков — ослабление эффекта поляризации границ раздела, что приводит к падению сопротивления и ем­кости объекта на низких частотах. На высоких частотах поляризация границ раздела практически отсутствует, поэтому высокочастотное сопротивление существенным образом не меняется.

Таким образом, при действии повреждающих факто­ров и при отмирании ткани дисперсия ее электрических параметров снижается. При полной гибели ткани дис­персия отсутствует (рис. 44).

Если при действии повреждающих факторов высоко­частотное сопротивление изменяется, то это указывает на изменение концентрации свободных ионов в клетках. Повышение сопротивления свидетельствует об уменьше­нии содержания свободных ионов, снижение, наоборот,

15*

227

 

указывает на увеличение концентрации свободных ионов и свидетельствует об освобождении связанных ионов.

Б. Н. Тарусов для оценки жизнеспособности ткани предложил использовать коэффициент поляризации К, который вычисляется как отношение сопротивления объекта, измеренного на низких частотах (около 10⁴ Гц), к сопротивлению, измеренному на высоких ча­стотах (порядка 10⁶—10⁷ Гц):

(16)

Коэффициент поляризации характеризует величину дисперсии. Для интактных однотипных тканей его вели­чина зависит от положения организма в эволюционном ряду. Например, для печени млекопитающих он равен 9—10, а для печени лягушки — 2—3. Величина К зави­сит также от интенсивности обмена веществ в ткани. При отмирании ткани коэффициент уменьшается и при полной гибели приближается к единице.

В физиологии и медицине метод электропроводности применяется для оценки кровенаполнения органов. При увеличении наполнения органа кровью во время систолы сердца его сопротивление уменьшается, так как кровь обладает меньшим удельным сопротивлением, чем клет­ки. При диастоле сердца сопротивление органа увеличи­вается. Метод регистрации изменений сопротивления органов, обусловленных изменением кровенаполнения,

228

называется реографией. Одновременно регистрируется и первая производная сопротивления, которая характери­зует скорость кровенаполнения. Применяя многоканаль­ный реограф, можно изучать перераспределение крови между органами в различных условиях. Таким образом исследуется кровообращение в печени, почках, сердце и других органах, кровоток в магистральных и более мел­ких сосудах.

В последнее время широкое применение в клинике получил метод реоэнцефалографии, который позволяет исследовать мозговое кровообращение и имеет большое значение в диагностике ряда заболеваний.

Одним из важных вопросов в современной биофизи­ке является вопрос о соотношении количества свободных и связанных ионов в цитоплазме. Зная удельное сопро­тивление раствора межклеточных пространств и изме­ряя высокочастотное сопротивление ткани, можно вы­числить удельное сопротивление цитоплазмы клеток, ко­торое является показателем концентрации свободных ионов. Определяя общую концентрацию ионов в клетке другими методами, например методом пламенной фото­метрии, можно вычислить соотношение свободных и свя­занных ионов в цитоплазме. Можно также приблизи­тельно вычислить содержание свободных ионов в клет­ках путем сравнения удельной электропроводности цито­плазмы с удельной электропроводностью водного рас­твора, имеющего ионный состав, близкий к ионному со­ставу цитоплазмы.

С помощью метода электропроводности можно изу­чать процессы связывания ионов молекулами белков или других органических соединений. Если в раствор элект­ролита добавить белок, то электропроводность раствора понизится.

Понижение электропроводности определяется глав­ным образом тем, что часть ионов раствора будет связы­ваться молекулами белков. По уменьшению электропро­водности можно вычислить количество ионов, связанных одной молекулой белка.

Помимо этого, метод электропроводности позволяет определять степень гидратации белковых молекул. Если измерить диэлектрическую проницаемость раствора бел­ка на низких частотах, то ее значение будет выше зна­чения для воды (рис. 45). Это объясняется тем, что на низких частотах она определяется поляризацией диполей

229

воды и диполей белков. На
высоких частотах диэлектри­
ческая проницаемость рас­
твора будет меньше диэлект­
рической   проницаемости
воды. Это обусловлено тем,
что на высоких частотах по­
ляризация диполей белков
отсутствует. А так как часть
молекул воды входит в гид-
ратные оболочки белковых
молекул, то в поляризации
принимают участие не все
молекулы воды.

По величине уменьшения диэлектрической проницае­
мости раствора можно вычислять степень гидратации
белков.               

Диэлектрические свойства на высоких частотах (пос­ле (β-дисперсии) позволяют судить о количестве свобод­ной воды не только в растворах, но и в биологических объектах. При увеличении содержания воды в тканях их проводимость и диэлектрическая проницаемость увели­чиваются до значений, характерных для растворов элек­тролитов.

В медицине с лечебной целью широко применяется искусственный нагрев тканей токами высокой частоты (диатермия), высокочастотным магнитным полем (индуктотермия), ультравысокочастотным электрическим полем (УВЧ-терапия). Энергия переменного электриче­ского и электромагнитного полей, вызывающая различ­ные виды поляризации в тканях, в конечном счете пре­вращается в тепло. Тепловой эффект применяемых факторов зависит как от параметров действующих физи­ческих факторов, так и от величин диэлектрической про­ницаемости и сопротивления тканей и их частотных ха­рактеристик. Максимальный нагрев тканей происходит в зоне дисперсии электропроводности, когда поляриза­ция наиболее интенсивна. Можно предположить, что в широком диапазоне частот в каждой зоне дисперсии бу­дет наблюдаться максимум тепловых потерь. Дальней­шее развитие упомянутых методов физиотерапии предполагает широкое исследование электрических свойств различных тканей в диапазонах применяемых частот,

230

Глава 10