К ВОПРОСУ О РОЛИ БИОФИЗИКИ В МЕДИЦИНЕ

По вопросам, близким к освещаемой теме, в БМЭ опубликованы статьи Радикалы свободные, Свет, Ультразвук, Фотобиология, Фотохимические реакции, Ядерный магнитный резонанс и др.

Биофизика — это наука, изучающая физические свойства биологических объектов, а также физические и физико-химические закономерности, лежащие в основе их функционирования. Непосредственным объектом исследования биофизики является живая материя на разных уровнях ее организации (начиная от молекулярного и кончая организменным или даже популяционным). Биофизика, наряду с биохимией, биоорганической химией, молекулярной биологией, иммунологией и рядом других дисциплин, входит в состав комплекса наук, объединяемых под названием физико-химической биологии.

Изучение организма человека и процессов, связанных с нарушением его жизнедеятельности, является предметом медицинской биофизики. Достижения медицинской биофизики углубляют наши знания о механизмах возникновения и развития болезней, способствуют разработке новых лабораторных методов диагностики, совершенствованию методов лечения.

Значительна роль медицинской биофизики в изучении физико-химических основ патологии; методы биофизики, приспособленные к условиям клинических лабораторий, все шире используются в целях диагностики, а также для оценки эффективности проводимого лечения. Биофизические методы применяют при создании новых лекарственных средств как на стадии их первичного отбора, так и на стадии выяснения механизма действия. Наконец, на основе методов и теоретических достижений биофизики создаются новые и совершенствуются традиционные способы лечения больных. Так, новым направлением в клинической медицине, широко использующим достижения биофизики, можно считать так наз. физико-химическую медицину, к-рая включает разработку и применение ряда методов детоксикации организма, основанных на физико-химических принципах, в т. ч. гемосорбцию, гемодиализ, электрохимическое окисление чужеродных соединений и др.

Широкое использование достижений биофизики в медицинской науке и практике невозможно без соответствующим образом подготовленных кадров (врачей-биофизиков). Их подготовка осуществляется на медикобиологическом факультете 2-го ММИ, а также в Томском медицинском институте.

В современной биофизике условно выделяют квантовую биофизику, молекулярную биофизику, биофизику клетки и биофизику сложных систем (т. е. биофизику органов и тканей, системы организм—среда и т. д.).

Квантовая биофизика

Этот раздел биофизики посвящен расчетам молекулярных орбиталей различных биологически важных химических соединений, исследованию первичных стадий фотобиологических процессов, а также изучению свободных радикалов и их роли в биологических процессах.

Расчет молекулярных орбиталей позволяет находить корреляции между физико-химическими характеристиками соединения (способность к образованию свободных радикалов, распределение электрических зарядов в молекуле, склонность к реакциям присоединения по двойным связям и т. д.) и его биологическим действием. Такие корреляции в ряде случаев дают возможность предсказать фармакологическое действие химического соединения (когда известна лишь его химическая формула), произвести первичный отбор перспективных лекарственных препаратов из числа новых синтезируемых веществ.

Биофизический подход и современные методы исследования позволили расшифровать некоторые механизмы первичных фотофизических и фотохимических стадий таких важнейших процессов, как фотосинтез, зрение, воздействие ультрафиолетового излучения на нуклеиновые кислоты, белки и липиды, входящие в состав живых клеток, и др. Интенсивно изучается, но пока еще не раскрыт окончательно механизм действия лазерного излучения на биологические объекты. Результаты этих биофизических исследований получают все более широкое применение в медицинской практике. Напр., при лечении псориаза применяют фурокумарины, к-рые при ультрафиолетовом облучении кожи связывают нуклеиновые кислоты, благодаря чему приостанавливается характерная для этого заболевания пролиферация клеток кожи. Знание механизма протекающих реакций позволяет подбирать наиболее эффективные производные фурокумаринов и использовать антиоксиданты с целью ослабления побочного (эритемного) действия ультрафиолетового излучения. Перспективно применение лазеров при лечении ран и язв, основанное на активации определенных ферментных систем в тканях. Интенсивно изучается возможность расширения терапевтического применения электромагнитного излучения в СВЧ-диапазоне.

При исследовании фотобиологических процессов, наряду с методами оптической спектроскопии, большую роль играет метод электронного парамагнитного резонанса, позволяющий непосредственно обнаруживать свободные радикалы, образующиеся в качестве первичных продуктов фотохимических превращений биологически важных соединений. Важное значение при изучении свободнорадикальных процессов в биологических системах имеет метод хемилюминесценции: оказалось, что взаимодействие друг с другом перекисных радикалов, образующихся, в частности, при цепном (перекисном) окислении липидов, сопровождается хемилюминесценцией или сверхслабым свечением, интенсивность к-рого тем выше, чем больше радикалов содержится в изучаемом объекте.

Применение физических методов, наряду с биохимическими (анализ продуктов, образующихся при свободнорадикальном окислении, использование ферментов, регулирующих свободнорадикальные процессы, таких как супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза, липооксигеназа и т. д.), позволило выявить важную роль свободнорадикальных процессов в патогенезе ряда заболеваний. В частности, повреждение клеток при целом ряде интоксикаций, при действии ультрафиолетового или ионизирующего излучения, при гипоксии, стрессе, Е-авитаминозе, недостатке селена в пище и во многих других случаях связано с активацией процессов образования свободных радикалов кислорода, липидов и других веществ; усиление свободнорадикального процесса окисления липидов плазмы крови является, по-видимому, одной из причин развития атеросклероза. Активация свободнорадикальных процессов происходит под действием многих онкогенных соединений; характерно также усиление свободнорадикального окисления липидов тканей при злокачественных опухолях в терминальных стадиях болезни. Имеются данные, свидетельствующие об участии свободнорадикального окисления липидов в развитии глаукомы и катаракты; обсуждается вопрос о роли свободнорадикальных процессов в возникновении и развитии шизофрении, эпилепсии, ряда других нервных и психических болезней.

Методы изучения свободнорадикальных процессов в биологических системах первоначально применяли лишь при фундаментальных исследованиях, однако появилась возможность использовать их непосредственно в клинике. Большее распространение получил, напр., метод регистрации хемилюминесценции плазмы крови или фракций лейкоцитов. Собственное свечение плазмы, обусловленное процессом свободнорадикального окисления содержащихся в ней липидов, может быть усилено при добавлении катализатора перекисного окисления (солей двухвалентного железа) или источника свободных радикалов (перекиси водорода). Интенсивность свечения зависит от содержания липопротеидов в крови и усиливается при гиперхолестеринемии. Заметная активация свечения типична для воспалительных процессов, локализующихся во внутренних органах (напр., наблюдается при холецистите, холецистопанкреатите и т. д.). Хемилюминесценция лейкоцитарной фракции обусловлена выделением свободных радикалов фагоцитирующими клетками. Это свечение может быть резко усилено в присутствии люминола. Хемилюминесценция активируется при образовании комплексов антиген — антитело, благодаря чему метод регистрации хемилюминесценции нашел применение в клинической иммунологии.

Прогресс в области разработки аппаратуры для измерения хемилюминесценции и сигналов электронного парамагнитного резонанса сделает методы изучения свободнорадикальных процессов обычными методами лабораторной диагностики.

Молекулярная биофизика

Все основные успехи в изучении функциональной активности и структуры белков и нуклеиновых кислот были сделаны благодаря развитию методов биофизики — рентгеноструктурного анализа белков, инфракрасной и ультрафиолетовой спектроскопии, спектрополяриметрии, вискозиметрии, калориметрии, седиментационному анализу и др. Исследования пространственной структуры макромолекул и выяснение связи их структуры с функцией создали теоретический фундамент для молекулярной биологии и генетики, энзимологии, иммунологии, развития многих отраслей медицины и смежных наук, в т. ч. фармакологии, эндокринологии. Выяснение молекулярных основ нарушения функционирования клеток и всего организма в целом при так наз. молекулярных болезнях также базируется на знании структуры белковых молекул и понимании причин нарушения этой структуры, обусловленного заменой одной из аминокислот в полипептидной цепи. Представляется возможной полная расшифровка патогенеза заболеваний, в основе к-рых лежат изменения в структуре нуклеиновых кислот, белков и полисахаридов.

Многие из методов молекулярной биофизики (различные виды электрофореза, гель-фильтрации, ультрацентрифугирования, спектрофотометрии, люминесцентного анализа, масс-спектроскопии и др.) вошли в арсенал клинических лабораторий. На повестке дня стоит внедрение в лабораторную практику методов молекулярной биофизики, основанных на применении лазеров (лазерного комбинационного рассеяния, лазерной допплеровской спектроскопии и др.).

Биофизика мембран

70—80-е гг. 20 в. характеризуются большими достижениями в изучении строения и функций биологических мембран. Первоначальная схема строения мембран, предложенная в 1935 г. Давсоном и Даниэлли (Н. Davson, J. F. Danielli), основывалась на данных, полученных методами биофизики клетки (изучение плазмолиза, проницаемости мембраны для разного рода соединений, измерение электрических характеристик мембран — их сопротивления, емкости, мембранных потенциалов и т. д.). Важную роль в последующих исследованиях мембран сыграли методы электронной микроскопии и препаративной биохимии, а также работы, посвященные изучению физических и физикохимических характеристик липидного слоя мембран (вязкости, подвижности липидных и белковых молекул в мембранах, распределения в них электрических зарядов, проницаемости для молекул и ионов, механизма генерации мембранных потенциалов). Успехи в этом направлении были обусловлены, с одной стороны, широким использованием очищенных мембранных систем, а также моделей липидных мембран, а с другой стороны — бурным прогрессом в разработке различных биофизических методов (ядерного магнитного резонанса, рентгеноструктурного анализа, электронного парамагнитного резонанса в сочетании с использованием спиновых зондов и меток, применения флюоресцентных зондов и т. д.). Как и во многих других областях биофизики, большое значение при изучении свойств и функционирования мембранных структур имели методы математического моделирования.

Установлена общая схема строения мембран, расшифрована первичная структура ряда мембранных белков, показана роль процессов переноса ионов через мембраны в возникновении биопотенциалов, в осуществлении процесса запасания и трансформации энергии в клетке (в частности, при окислительном и фотосинтетическом фосфорилировании), много сделано для изучения строения и механизма работы связанных с мембранами ферментных систем, таких как цепи переноса электронов в митохондриях и микросомах, система аденилатциклазы, ион-транспортные ферментные системы (Na++K+-АТФ-аза, Са++-АТФ-аза) и т. д. Большие успехи достигнуты в изучении строения и функционирования ионных каналов, имеющихся в клеточных мембранах нервных, мышечных и многих других клеток и обеспечивающих генерацию биопотенциалов и регуляцию внутриклеточных процессов.

Достижения в области биофизики мембран имеют первостепенное значение для медицинской науки и практики, т. к. известно, что нарушение работы мембранных систем является одной из причин нарушений функционирования клеток. Именно нарушение функционирования мембранных структур приводит к биологической смерти клеток при гипоксии, интоксикациях, механических повреждениях тканей, отморожениях и ожогах, действии ультрафиолетового и, возможно, ионизирующего излучения. Доказано изменение свойств мембранных структур при многих заболеваниях нервной системы, при развитии атеросклероза и ишемической болезни сердца, при гепатитах, заболеваниях почек.

Нарушения функционирования мембран могут быть следствием изменения активности работы мембранных ферментов, деятельности мембранных рецепторов или ионных каналов. Наиболее чувствительной частью мембранных структур к неблагоприятным воздействиям извне является липидный слой, выполняющий в мембранах функцию барьера для ионов и полярных молекул, а также структурной основы функционирования ферментов, рецепторов и каналов. Значения различных показателей, характеризующих состояние мембран, представляют собой ценную диагностическую информацию. При гиперхолестеринемии, напр., увеличивается содержание холестерина в липидном слое мембран форменных элементов крови и стенок кровеносных сосудов (холестериноз), что, возможно, является одной из важнейших причин развития атеросклероза. Непосредственный результат повышения содержания холестерина в мембранах — увеличение вязкости липидного слоя, к-рое приводит к нарушению матричной функции липидов и связанному с этим торможению реакций, катализируемых ферментами, а также к ухудшению работы мембранных рецепторов. Многие нарушения функционирования клеток обусловлены утратой барьерной функции их мембран, в результате чего липидный слой мембраны становится проницаемым для многих ионов и полярных молекул, обычно не проникающих через эту мембрану.

Потеря липидным слоем мембраны его барьерных свойств может быть обусловлена перекисным (свободнорадикальным) окислением ненасыщенных жирнокислотных цепей фосфолипидов мембран, действием эндогенных мембранных фосфолипаз, механическим (в частности, осмотическим) растяжением мембран и, наконец, адсорбцией на их поверхности полиэлектролитов (в т. ч. белков). Биофизический механизм патологического нарушения барьерной функции мембран заключается, вероятно, в образовании пор в липидном слое, что сопровождается электрическим пробоем под действием разности электрических потенциалов, возникающих на мембране при ее функционировании. В опытах на моделях мембран показана возможность их электрического пробоя и обнаружено, что величина потенциала пробоя (характеристика электрической прочности мембран) снижается под действием перечисленных выше неблагоприятных факторов.

Знание механизмов функционирования и нарушения работы мембранных систем дает возможность применения большого числа разнообразных лекарственных средств (адренолитиков и адреномиметиков, местноанестезирующих препаратов, наркотических средств, антигистаминных препаратов и др.) для коррекции работы мембранных каналов и рецепторов. Диуретики, напр., влияют на биоэнергетические функции мембран и на мембранную проницаемость, сердечные гликозиды регулируют работу Na+ + К+-АТФ-азы, антиоксиданты ингибируют процессы свободнорадикального окисления мембранных липидов.

Методы, разработанные для фундаментальных исследований в области биофизики мембран, нашли применение в медицинской практике. Так, при отборе новых лекарственных средств и изучении механизма их действия используют модельные мембранные системы, в т. ч. системы, имеющие ионные каналы (напр., мембраны клеток водорослей). Диагностика ряда заболеваний основана на измерении проницаемости мембранных структур клеток, входящих в состав стенок кровеносных сосудов, а также гистогематического и гематоэнцефаличе-ского барьеров. Применение мембранных флюоресцентных зондов в сочетании с микрофлюориметрией позволило дифференцировать Т- и В-лимфоциты, разработать тесты для распознавания аллергических заболеваний. По-видимому, мембранные тесты могут быть использованы в диагностике заболеваний так же широко, как и обычные методы клинического лабораторного исследования крови.

Следует упомянуть также об использовании липосом в лечебных целях. Липосомы, представляющие собой фосфолипидные везикулы, первоначально применяли при изучении проницаемости и физических свойств липидных биомолекулярных слоев. Позже их стали использовать для введения в организм нек-рых лекарственных средств и повышения их эффективности. Фосфолипиды (эссенциале, липостабил и другие препараты) применяют также при лечении атеросклероза.

Биофизика клеточной подвижности и мышечного сокращения

Изучение механизмов мышечного сокращения с позиций биофизики и данные электронной микроскопии позволили разработать молекулярные модели мышечного сокращения. Открытие опорного и сократительного аппарата в немышечных клетках расширило наши представления о распространенности явлений подвижности клеточных элементов. Изучение механизма движения протоплазмы у простейших показало, что движение в клетке может быть вызвано не только механохимическими явлениями, но и хемоосмотическими процессами. Функционирование внутриклеточных сократительных белков в тромбоцитах составляет важное звено в сложном процессе агрегации этих клеток, приводящем к образованию тромбов. Представляется перспективным поиск лекарственных средств, действующих на регуляцию процессов агрегации тромбоцитов. Результаты биофизического исследования мышечного сокращения легли в основу разработки системы количественных показателей сократимости миокарда с целью диагностики заболеваний сердца.

Биофизика сложных систем

Одним из крупнейших достижений биофизики сложных систем является открытие и расшифровка механизма возникновения автоколебаний в биологических системах, а также распространение автоволн в возбудимых средах, к к-рым, в частности, относится миокард. Химической моделью таких процессов может служить реакция Белоусова — Жаботинского (окисление лимонной кислоты в присутствии бромата и ионов церия). Появлением спонтанных центров зарождения автоволн были объяснены особенности движения протоплазмы у ряда организмов, движение крови в сосудах мышечного типа и возникновение сердечных аритмий. Понимание механизма автоколебательных и автоволновых процессов — необходимый этап в решении ряда проблем хронобиологии, в эффективном использовании принципов хрономедицины, в разработке методов лечения аритмий сердца и других заболеваний, связанных со спонтанной возбудимостью нервных и мышечных тканей. Многие свойства автоколебаний и автоволн в сложных системах изучают в основном с помощью методов математического моделирования.

Широкое использование ЭВМ позволило существенно приблизиться к решению ряда проблем, связанных с математическим моделированием биологических процессов в норме и при патологии. Одной из них является проблема возникновения электрических полей в организме. В частности, формальное описание электрического поля сердца не давало достаточного основания для понимания связи изменений в работе отдельных мышечных клеток и ткани в целом с изменениями в отводимых от тела потенциалах при электрокардиографии. Создание математической модели, позволяющей анализировать ЭКГ человека с учетом морфологических, цитологических и физиологических параметров миокарда, дает возможность сопоставлять изменения электрокардиограммы с определенными нарушениями функционирования миокарда, а следовательно, улучшать существующие методы диагностики и лечения сердечно-сосудистых заболеваний. Значительные успехи достигнуты в исследованиях физических основ природы электроэнцефалограммы. Анализ электрической активности отдельных нейронов и факт наличия синхронизации активности многих нейронов позволили дать физико-математическое описание статистических особенностей ЭЭГ, что расширяет возможности ее диагностического применения.

Одной из традиционных отраслей биофизики, используемых в медицине, является биомеханика. Результаты изучения механических свойств мышц, связок, костей, стенок кровеносных сосудов, легких оказались важными для травматологии, кардиологии, пульмонологии и других областей медицины. Все большее внимание уделяется молекулярным и клеточным основам механических свойств биологических объектов, включая синовиальную жидкость, кожу, мышцы, альвеолы легких и стенки сосудов. Достигнут прогресс в исследовании реологических свойств форменных элементов крови, биологических мембран, в изучении закономерностей движения крови по мелким кровеносным сосудам, в т. ч. по капиллярам, и т. д. Методы биомеханики легли в основу новых методов клинической диагностики, напр, определение упругости стенок сосудов и ее изменения при атеросклерозе. Измерение механических характеристик синовиальной жидкости, крови, кожи, кровеносных сосудов, костей и других тканей и органов используется для оценки их патологических изменений. Изучение способности эритроцитов к межклеточному взаимодействию, заключающемуся в образовании агрегатов и наблюдающемуся при ишемической болезни сердца, нарушениях кровообращения в различных органах, позволило разработать клинические способы коррекции механических свойств крови.

Изучение гемодинамики получило дальнейшее развитие благодаря широкому внедрению методов математического и физического моделирования гемодинамических процессов. Результаты изучения гемодинамики создали теоретическую основу для конструирования аппаратов искусственного кровообращения, протезирования сердца, его клапанов, кровеносных сосудов, создания искусственной почки, для разработки способов замены крови с помощью искусственных переносчиков кислорода и т. д.

Исследования гемодинамических процессов, механизма генерации и распространения пульсовой волны, кардиогенных смещений тела привели к разработке новых бескровных физических способов изучения функционирования сердца, нашедших применение в клинической практике. Появились новые методы диагностики, к-рые иногда объединяют под названием «медицинская инженерия» или медицинская физика. В частности, происходит активная разработка и широкое внедрение в медицину диагностических методов, основанных на использовании различных видов излучений. К их числу относятся рентгеновская компьютерная томография и томография с использованием ядерного магнитного резонанса, ультразвуковая визуализация внутренних органов и тканей, эхолокация, широко используемые в офтальмологии, кардиологии, акушерстве; ультразвуковая допплеровская спектроскопия, применяемая для измерения скорости кровотока, и многие другие методы.

Библиогр.: Владимиров Ю. А. и др. Биофизика, М., 1983; Волькенштейн М. В. Биофизика, М., 1981; Дещеревски й В. И. Математические модели мышечного сокращения, М., 1977; Жадин М. Н. Биофизические механизмы формирования электроэнцефалограммы, М., 1984; Иваницкий Г. Р., Кринский В. И. и Сельков E. Е. Математическая биофизика клетки, М., 1978; Каро К. и др. Механика кровообращения, пер. с англ., М., 1981; Лайтфут Э. Явления переноса в живых системах, пер. с англ., М., 1977; Левтов В. А., Регирер С. А. и Шадринa H. X. Реология крови, М., 1982; Полищук В. И. и Tерехова Л. Г. Техника и методика реографии и реоплетизмографии, М., 1983; Титомир Л. И. Электрический генератор сердца, М., 1980.

Чл.-корр. АМН СССР Ю. А. Владимиров