Способ определения воздействия электромагнитного излучения с помощью биолюминесценции бактерий

Способ определения воздействия электромагнитного излучения с помощью биолюминесценции бактерий

Реферат

Изобретение относится к области магнитобиологии, в частности к способам оценки воздействия слабого электромагнитного поля с помощью биосенсора - морских светящихся бактерий, и может быть использовано в медицине и экологии.

Известен способ оценки воздействия электромагнитного поля на биологические системы, который заключается в исследовании влияния излучения импульсного магнитного поля на регенерацию костной ткани при чрескостном остеосинтезе. В периферической крови больного при поступлении и на 7 сутки после чрескостного остеосинтеза определяют количество лейкоцитов, лимфоцитов, нейтрофилов, моноцитов, затем рассчитывают процент прироста каждого из показателей. Далее находят суммарный показатель. При отрицательном значении суммарного показателя или его увеличении не более 15% судят о положительном эффекте электромагнитного поля на регенерацию костной ткани. При значении суммарного показателя 15% и выше отмечают отсутствие воздействия электромагнитного поля [RU патент 2082970, МПК G 01 N 33/48, опубл. 27.06.97 г.].

Недостатки этого способа заключаются в следующем. Для оценки воздействия электромагнитного излучения на биологический объект используются иммунные клетки крови многоклеточного организма, где на исследуемые показатели оказывают влияние сложнейшие и многочисленные адаптационные реакции и воздействия многих других факторов, из-за чего процесс оценки воздействия усложняется, кроме того, получение ответа требует длительного времени (7 суток). Метод пригоден для частного случая - оценки эффективности применения магнитотерапии в комплексном лечении переломов костей, и используется в раннем посттравматическом периоде.

Известен способ модификации активности перитонеальных нейтрофилов мыши при воздействии крайне высокочастотного излучения в полосе 41,8-42,05 ГГц и заключается в ингибировании люминолзависимой хемилюминесценции нейтрофилов, активированных опсонизированным зимозаном [А.Б.Гапеев, В.Г.Сафронова, Н.К.Чемерис, Е.Е.Фесенко. // Биофизика. 1996. Т.41, вып.1. С.205-219].

К недостаткам данного способа относится следующее. В данном способе используются клетки крови - перитониальные нейтрофилы - как показатель эффекта воздействия электромагнитного излучения. Процесс получения биологических образцов довольно длителен и приводит к гибели животных. В процессе регистрации отклика на воздействие электромагнитным полем использованы дорогостоящие реактивы и растворы: зимозан ("Биолар" Россия), люминол ("Sigma" США), среда 199 и раствор Хенкса (ИПВЭ, Россия) и мал по величине наблюдаемый индуцированный эффект, проявляющийся в изменении сигнала хемилюминесценции (8-26%).

Известен способ определения внешнего воздействия на биообъект, включающий регистрацию физического параметра данного объекта до и после внешнего воздействия, по сравнению которых судят о степени воздействия, где в качестве чувствительного элемента используют культуру светящихся бактерий, а в качестве физического параметра используют величину светового потока от них [RU патент 2073416, опубл. 20.02.97 г. (прототип)].

К недостаткам данного способа относится следующее.

В этом способе используются сигналы, поступающие от биологического объекта на светящиеся бактерии Beneckea harveyi, где сложно однозначно определить природу воздействующего фактора. Биообъекты являются источниками теплового электромагнитного излучения, обусловленного тем, что температура объектов не равна абсолютному нулю, но на ряду с этим излучением в данном случае присутствуют и электрические и магнитные поля, сигналы хемилюминесценции и др., несущие информацию о биообъектах (Т.В.Дрокина. Методы физики в медицине (монография). - Красноярск: КрасГУ. - 2005. - 262 с.).

Техническим результатом изобретения является разработка экономичного способа определения воздействия электромагнитного излучения на фиксированной частоте с помощью биолюминесценции бактерий.

Технический результат достигается тем, что в способе определения воздействия электромагнитного излучения с помощью биолюминесценции бактерий, включающем регистрацию физических параметров данного объекта до и после внешнего воздействия, по сравнению которых судят о степени воздействия, и в качестве физического параметра используют величину светового потока от них, новым является то, что осуществляют воздействие электромагнитным излучением частотой 42 ГГц, а в качестве тест-системы используют бактерии Photobacterium leognathi, штамм 54, которые при увеличении времени экспозиции изменяют характер свечения.

На фиг.1 показана динамика изменения интенсивности свечения фотобактерий после воздействия электромагнитным излучением при разных длительностях воздействия внешнего фактора: а) 10 часов, б) 12 часов, в) 15 часов, где I - ток ФЭУ, t - время наблюдения после облучения.

Предлагаемый способ оценки присутствия слабого нетеплового электромагнитного излучения и дозы, полученной биологическим объектом при его воздействии на фиксированной частоте 42 ГГц, может быть реализован с помощью светящихся морских бактерий Photobacterium leognathi, штамм 54.

Бактерии выращены на твердой питательной среде, содержащей источники углерода, азота, фосфора, минеральные соли. Затем их суспендируют в жидкой среде до получения однородной исходной суспензии. Затем суспензию заливают в подготовленную питательную среду. Подготовленная питательная среда имеет следующий состав: в 100 мл дистиллированной воды содержится 0,02 г MgSO₄; 0,6 г Na₂HPO₄; 0,1 г КН₂PO₄, 6 г NaCl; 0,065 г цитрата Na; 0,05 г (NH₄)₂SO₄; 0,5 г пептона; 0,3 г глицерина. В подготовленную среду производится засев морских бактерий из клеточной суспензии, выращенной на твердой среде (состав твердой среды такой же, как указан выше, но добавлен агар-агар из расчета 20 г/л). Процесс культивирования осуществляется на качалке с аэрацией при 28-30°С. Это известный способ выращивания фотобактерий.

Способность светящихся бактерий генерировать световой поток в видимой области света позволяет, в частности, проводить исследования по воздействию внешних физических факторов на клетки.

Клетки берутся в активной фазе - фазе возрастания интенсивности свечения (обычно через 6-7 часов культивирования). Затем культура делится на две части, примерно по 7-15 мл. Одна часть подвергается воздействию электромагнитного поля - опытный образец, а другая не подвергается воздействию внешнего фактора и служит контролем. В зависимости от времени воздействия облучения на клетки интенсивность свечения облученных бактерий может быть выше или ниже по сравнению с контрольными пробами.

Плотность бактерий в среде контролируется фотоколориметрическим методом с помощью фотоэлектрического фотометра (540 нм). Свечение измеряется с помощью биолюминометра. Так как интенсивность свечения бактерий - легко регистрируемый параметр, то можно быстро, бесконтактным способом, не вмешиваясь в функционирование клетки, регистрировать изменение свечения в широком диапазоне (от 10^-4 до 10³ мкА) и оценивать изменения, возникающие под действием электромагнитного излучения даже низкой, нетепловой интенсивности.

На фиг.1а показана динамика биолюминесценции при времени облучения электромагнитным полем 10 часов. Ярко выражен эффект ингибирования биолюминесцентной реакции. На фиг.1б показан переломный процесс, когда внешнее воздействие не приводит к изменению сигнала биолюминесценции. При увеличении длительности воздействия (15 часов) знак эффекта изменяется, то есть происходит увеличение интенсивности свечения по сравнению с сигналом от контрольного образца (фиг.1в).

Поставленная цель достигается благодаря изменениям, которые происходят с бактериями под действием низкоинтенсивного электромагнитного поля частотой 42 ГГц и проявляются в изменении свечения бактерий, сохраняющемся длительное время после окончания воздействия (более 100 часов).

Сущность способа оценки присутствия слабого нетеплового излучения и длительности его воздействия заключается в следующем. Воздействие электромагнитного излучения на фотобактерии приводит к изменению метаболических процессов в бактериальной культуре, что сопровождается изменением сигнала биолюминесценции. В зависимости от длительности воздействия индуцированный электромагнитным полем эффект может менять знак. Интенсивность свечения облученного образца может превышать интенсивность свечения контрольного образца, не подвергавшегося воздействию электромагнитного поля, при длительном воздействии (фиг.1в), а может быть и ниже уровня контрольного сигнала, как в случае меньшего времени экспозиции (фиг.1а). Таким образом, по отклику биологического объекта можно судить о воздействия электромагнитного поля низкой нетепловой интенсивности и его длительности.

Миллиметровые электромагнитные волны нетепловой интенсивности используются в медицине (микроволновая терапия или КВЧ-терапия), в народном хозяйстве, при проведении научных исследований. Важными задачами являются оптимизация воздействия электромагнитного излучения при КВЧ-терапии (медицина) и разработка научно обоснованных методов подбора доз облучения для персонала, работающего на установках с миллиметровым излучением (экология).

Изложенные выше факты показывают, что данный способ позволяет расширить диапазон возможностей использования биологических объектов для оценки, с одной стороны, присутствия слабого нетеплового электромагнитного излучения и, с другой стороны, дозы, полученной биологическим объектом при его воздействии на фиксированной частоте 42 ГГц. Предлагаемый способ оценки воздействия электромагнитного поля обладает также преимуществом по сравнению с известным, так как критерием оценки является биолюминесцентная реакция бактерий, которая быстро реагирует на изменения окружающей среды. В зависимости от длительности воздействия внешнего фактора может наблюдаться как увеличение, так и уменьшение свечения бактерий.

К достоинствам биолюминесцентного способа индикации слабого электромагнитного излучения с помощью биосенсора - светящихся бактерий - можно отнести следующее: высокая чувствительность, достаточная объективность, экспрессность, простота выполнения процедуры оценки влияния излучения, кроме того, работа по определению воздействия не требует дорогостоящего оборудования и реактивов.

Способ определения воздействия электромагнитного излучения с помощью биолюминесценции бактерий, включающий регистрацию физических параметров данного объекта до и после внешнего воздействия, по сравнению которых судят о степени воздействия, и в качестве физического параметра используют величину светового потока от них, отличающийся тем, что осуществляют воздействие электромагнитным излучением частотой 42 ГГц, а в качестве тест-системы используют бактерии Photobacterium leognathi, штамм 54, которые при увеличении времени экспозиции изменяют характер свечения.