Разработка технологии и аппаратного обеспечения для использования низкоинтенсивного электромагнитного излучения крайне высоких частот в физиотерапии воспалительных процессов

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И АППАРАТНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ КРАЙНЕ ВЫСОКИХ ЧАСТОТ В ФИЗИОТЕРАПИИ ВОСПАЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ

А.Б. Гапеев1, Н.К. Чемерис1, А.И. Алехин2, О.С. Панова2, Н.Г. Гончаров2 1Институт биофизики клетки РАН, г. Пущино Московской обл., e-mail: gapeyev@icb.psn.ru 2Центральная клиническая больница РАН, г. Москва

С использованием животных моделей воспалительных процессов оптимизированы параметры и режимы воздействия низкоинтенсивного электромагнитного излучения крайне высоких частот. Показана высокая эффективность излучения в отношении местных воспалительных процессов, опухолевого роста и репаративных процессов при поражениях кожи. Полученные результаты легли в основу разработки прототипа КВЧ-генератора медицинского назначения.

Многолетняя практика клинического использования низкоинтенсивного электромагнитного излучения крайне высоких частот (ЭМИ КВЧ) в России и странах Восточной Европы показала, что КВЧ-терапия, как правило, не имеет побочных эффектов и отдаленных неблагоприятных последствий; неинвазивна, хорошо сочетается с другими методами (лекарственными, хирургическими, физиотерапевтическими и др.), усиливая их эффективность, снимая побочные эффекты, сокращая нормативные сроки лечения; обладает полилечебным эффектом [1-4]. Полученные нами ранее результаты и литературные данные свидетельствуют о том, что низкоинтенсивное ЭМИ КВЧ способно оказывать обезболивающее и противовоспалительное действие, модифицировать иммунный статус организма и повышать его адаптационные возможности, улучшать микроциркуляцию в поврежденных тканях, активировать физиологическую и репаративную регенерацию [5, 6]. Однако, несмотря на использование КВЧ-терапии в медицинской практике, механизмы реализации эффектов, а также эффективные параметры и режимы воздействия ЭМИ КВЧ остаются во многом невыясненными.

Целью настоящей работы являлось определение параметров и режимов воздействия низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ, способных оказывать выраженное противовоспалительное действие, с последующей проверкой их терапевтической эффективности в экспериментальных моделях патологических состояний. Есть основания полагать, что выраженное противовоспалительное действие ЭМИ КВЧ обусловливает положительную динамику лечения пациентов с заболеваниями различной этиологии, получающих сеансы КВЧ-терапии, поскольку многие заболевания сопровождаются воспалительными процессами.

Выбор областей оптимальных параметров ЭМИ КВЧ был осуществлен с использованием модели острого неспецифического воспаления, индуцируемого в задней конечности мышей аутбредного стока NMRI инъекцией суспензии зимозана (25 мкл в концентрации 5 мг/мл) [7, 8]. Источником ЭМИ КВЧ служили высокочастотные генераторы Г4-141 и Г4-142 ("Исток", Фрязино, Россия). В качестве антенны использовали. Животных облучали тотально без фиксации в пластиковых контейнерах размером 100x100x130 мм, которые помещали в дальней зоне пирамидальной рупорной антенны с апертурой 32x32 мм. Для контрольных животных проводили процедуры имитации воздействия, для чего мышей помещали в зону облучения при включенном высокочастотном генераторе, однако мощность на выходе излучателя отсутствовала. Облучение животных и имитацию воздействия проводили через 1 ч после индукции патологического процесса. Во всех экспериментах фоновая индукция геомагнитного поля составляла 45±5 мкТл.

Все эксперименты выполнены по протоколу "слепого контроля", когда экспериментатор, проводивший измерения, не знал, каким воздействиям

подвергались животные. Данные систематизировали по характеру воздействия, сравнивали с показателями контрольных и ложно-облученных животных и выражали в процентах от контроля. Все данные представлены в виде среднего значения ± стандартная ошибка. Статистический анализ данных проводили по критерию Манна-Уитни (р<0.05).

Обнаружено, что однократное облучение животных ЭМИ КВЧ (42.2 ГГц, 100 мкВт/см2, 20 мин) приводило к устойчивому и статистически значимому уменьшению экссудативного отека и гипертермии области воспаления. Под действием ЭМИ КВЧ экссудативный отек и гипертермия в среднем на протяжении 3-7 ч развития воспалительной реакции снижались приблизительно на 20% (р<0.01) от уровня в контроле. Исследование частотной зависимости обнаруженного эффекта при фиксированных плотности потока мощности (ППМ) 100 мкВт/см2 и длительности экспозиции 20 мин показало, что наиболее эффективными из исследованных частот оказались 37.5, 42.2, 51.8 и 65 ГГц, в то время как некоторые другие из "терапевтических" частот, например, 53.57 и 61.22 ГГц были менее эффективны или вовсе неэффективны в отношении исследуемого воспалительного процесса (Рис.1).

го си

I-

о

о

X ей

го

I

о со

X

си

X

о

25 -

20

15 -

10

5

#Л

#

#Л

#

I.

I

0.0 37.5 42.0 42.2 43.0 50.3 51.8 53.6 61.2 65.0 70.0

Частота, ГГц

Рис.1. Снижение экссудативного отека воспаленной конечности (в % от контроля) в зависимости от частоты ЭМИ КВЧ (100 мкВт/см2, 20 мин). п > 15, # - р < 0.01, * - р < 0.05 от контроля (0.0 ГГц - имитация облучения), Л - р < 0.04 от величины эффекта ЭМИ КВЧ на соседних частотах.

*

*

0

При фиксированной частоте 42.2 ГГц и интенсивности излучения 100 мкВт/см2 эффект имел характерную колоколообразную зависимость от экспозиции с наиболее эффективным временем облучения животных 20-40 мин. Снижение ППМ излучения в 10 раз до 10 мкВт/см2 кардинально изменило характер наблюдаемой зависимости. При низкой интенсивности излучения снижение экссудативного отека практически линейно зависело от экспозиции, и достоверный эффект наблюдался при облучении животных в течение 2 ч. На основании полученных данных мы заключаем, что противовоспалительное действие низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ критически зависит от частоты, интенсивности и длительности экспозиции.

В экспериментах по исследованию противоопухолевого действия ЭМИ КВЧ солидные опухоли формировали внутримышечной трансплантацией клеток асцитной карциномы Эрлиха в количестве 2.5x10 в 100 мкл стерильного физиологического раствора в бедренную часть задней лапы мышей аутбредного стока КМШ. Животных облучали низкоинтенсивным ЭМИ КВЧ с выявленными эффективными параметрами (42.2 ГГц, 100 мкВт/см2, 20 мин/сут) при различных режимах: однократно, трехкратно, пятикратно, семикратно и десятикратно после инокуляции. Оценку роста опухоли производили, начиная с 6 сут после

инокуляции, для чего измеряли длину, ширину и толщину опухолевого узла и вычисляли объем опухоли.

Обнаружено, что динамика роста опухоли у животных, получавших пятикратное воздействие ЭМИ КВЧ после инокуляции, существенно отличалась от таковой у животных контрольной и других опытных групп. Так, средний объем опухоли после 5 суток роста у облученных животных после 5 процедур воздействия был вдвое ниже соответствующего значения для контрольной группы. Средняя скорость роста опухоли у животных, облученных в режиме пятикратного воздействия, оказалась на 20 % ниже, чем в контроле. В итоге это привело к увеличению продолжительности жизни животных-опухоленосителей в среднем на 6±1 сут. Мы обнаружили ярко выраженную частотную зависимость противоопухолевого действия ЭМИ КВЧ с оптимальной кратностью воздействия (в течение 5-ти последовательных суток после инокуляции). Полученные данные демонстрируют кардинально разную эффективность различных терапевтических частот ЭМИ КВЧ, например, 42.2 и 61.22 ГГц (Рис.2). Полученные данные свидетельствуют о возможности получения выраженного и стабильного противоопухолевого эффекта ЭМИ КВЧ при специальных режимах воздействия.

35

.0

1- о 30

о

X

со

^ 25

си

-&

-& 20

со

к

го

ей 15

си

ц

о

£ 10

1=

о

о

ей 5

^

1-

о

1= 0

I

1 р < 0.001

* р < 0.02

Контроль 42.2 43.0 51.8 61.22 ГГц Рис. 2. Противоопухолевая эффективность ЭМИ КВЧ (100 мкВт/см2, 20 мин/сут в течение 5 последовательных суток) в зависимости от частоты излучения. п = 15.

Продемонстрировано положительное влияние ЭМИ КВЧ (42.0 ГГц, 100 мкВт/см2, 20 мин/сут в течение 10 последовательных суток) на качество регенерации полнослойных кожных ран. У облученных животных происходило более раннее созревание грануляционной ткани, упорядочение ее структуры, увеличение количества зрелых коллагеновых волокон с постепенным полноценным

восстановлением эпителия без образования рубцов. В условиях клиники с применением

сертифицированных аппаратов для КВЧ-терапии показано улучшение результатов реконструктивных и эстетических оперативных

вмешательств при различных видах дермабразий при инволюционных изменениях тканей и другой кожной патологии. С помощью лазерной допплеровской флоуметрии выявлена положительная динамика кожного кровотока вплоть до полного восстановления. На основании полученных данных мы полагаем, что именно начальная цепочка реакций организма на облучение ЭМИ КВЧ, включая выброс биологически активных веществ из тучных клеток [9], приводит в последующем к снижению остроты воспалительной реакции, облегчению течения патологического процесса и тем самым созданию благоприятных условий для нормализации нарушенных функций. Полученные результаты легли в основу технического задания на разработку прототипа КВЧ-генератора медицинского назначения "ВОЛНА".

Проведенные исследования показали критическую зависимость терапевтического действия низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ от параметров и режимов облучения и позволили выявить оптимальные режимы воздействия ЭМИ КВЧ, приводящие к противовоспалительным эффектам, замедлению опухолевого роста и увеличению средней продолжительности жизни животных-опухоленосителей,

улучшению качества регенерации ран различной природы. В настоящее время стала очевидной необходимость дальнейшего исследования фундаментальных механизмов реализации терапевтических эффектов ЭМИ КВЧ с целью оптимизации его параметров на основе доклинических и клинических тестов.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проекты №№ 03-04-49210 и 06-04-81034_Бел), программ Президиума РАН "Фундаментальные науки - медицине" (2007 г.) и "Поддержка инноваций и разработок" (2007 г.) и Фонда содействия отечественной науке.

[1] Девятков Н.Д., Голант М.Б., Бецкий О.В. Миллиметровые волны и их роль в процессах жизнедеятельности. - М.: Радио и связь, 1991. - 168 с.

[2] Rojavin M.A., Ziskin M.C. Medical application of millimetre waves. // Q. J. Med. -

1998. - Vol. 91. - P. 57-66.

[3] Pakhomov A.G., Murphy M.R. Low-intensity millimeter waves as a novel therapeutic

modality. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2000. - Vol. 28(1). - P. 34-40.

[4] Бецкий О.В., Лебедева Н.Н., Котровская Т.И. Применение низкоинтенсивных миллиметровых волн в медицине (ретроспективный обзор). // Миллиметровые волны в биологии и медицине. - 2005. - № 2(38). - С. 23-39.

[5] Лушников К.В., Гапеев А.Б., Чемерис Н.К. Влияние электромагнитного излучения крайне высоких частот на иммунную систему и системная регуляция гомеостаза. // Радиационная биология. Радиоэкология. - 2002. - Т. 42, № 5. - С. 533-545.

[6] Гапеев А.Б., Чемерис Н.К. Механизмы биологического действия электромагнитного излучения крайне высоких частот на уровне организма. // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2007. - № 8-9. - С. 30-46.

[7] Lushnikov K.V., Shumilina J.V., Yakushev E.Yu., Gapeyev A.B., Sadovnikov V.B.,

Chemeris N.K. Comparative study of anti-inflammatory effects of low-intensity extremely high-frequency electromagnetic radiation and diclofenac on footpad edema in mice. // Electromagnetic Biology and Medicine. - 2005. - Vol. 24(2). - P. 143-157.

[8] Гапеев А.Б., Лушников К.В., Шумилина Ю.В., Чемерис Н.К. Фармакологический анализ противовоспалительного действия низкоинтенсивного электромагнитного излучения крайне высоких частот. // Биофизика. - 2006. - Т. 51, вып.6. - С. 1055-1068.

[9] Попов В.И., Рогачевский В.В., Гапеев А.Б., Храмов Р.Н., Чемерис Н.К., Фесенко

Е.Е. Дегрануляция тучных клеток кожи под действием низкоинтенсивного электромагнитного излучения крайне высокой частоты. // Биофизика. - 2001. -Т. 46, вып. 6. - С. 1096-1102.

DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY AND HARDWARE FOR APPLICATION OF EXTREMELY HIGH-FREQUENCY ELECTROMAGNETIC RADIATION IN PHYSIOTHERAPY OF INFLAMMATORY PROCESSES

A.B. Gapeyev, N.K. Chemeris, A.I. Alehin, O.S. Panova, N.G. Goncharov

Using animal models of inflammatory processes, physical parameters and exposure regimens of extremely high-frequency electromagnetic radiation were optimized. High efficacy of the irradiation was shown when applied for treatment of local inflammatory processes, tumor growth and repair of skin injuries. The results obtained have underlain a development of prototype of extremely high-frequency generator for medical application.