Влияние импульсно-периодического ультразвукового излучения на опухолевые и нормальные клетки. Механизм действия

Введение. В настоящее время ультразвук широко используется в медицине, при диагностике заболеваний и в опухолевой терапии. L. Sicard-Rosenbaum et al. показали, что при использовании ультразвукового излучения (УЗИ) с низкими интенсивностями или импульсного УЗИ наблюдалось торможение опухолевого роста по сравнению с высокоинтенсивным стационарным УЗИ. Рядом авторов отмечается, что эффект торможение роста опухоли после воздействия импульсным УЗИ в значительной степени зависит от числа импульсов, периода их повторения, а также от интенсивности излучения. В настоящее время в эксперимен- тальных исследованиях на опухолевых клетках используется импульсное УЗИ с высокими интенсивностями. Однако при таком режиме, возможно повреждение не только опухолевых, но и нормальных клеток.

Существует термальный и нетермальный механизм действия УЗИ. Известно, что стационарное УЗИ связано с ростом температуры в облучаемых тканях, в то время как импульсное УЗИ передает меньше энергии в единицу времени, что обусловливает отсутствие роста температуры. В большинстве существующих в настоящее время работ по изучению противоопухолевого действия импульсного УЗИ используются либо высокие интенсивности излучения, либо частоты повторения импульсов выше 100 Гц. Однако нет работ, в которых была бы проведена сравнительная оценка импульсного УЗИ в диапазоне частот ниже 100 Гц при низких интенсивностях.

Цель исследования. Исследование противоопухолевого действия импульсно-периодического УЗИ (ИП-УЗИ), а также изучение механизма действия ИП-УЗИ.

Материал и методы. В качестве источника импульсно-периодического УЗИ использовался ультразвуковой аппарат KUS-2S (Ito Chotanpa Co., Tokyo, Japan) с резонансной частотой 1,2 МГц. Коэффициент скважности составлял 50 %, частота повторения импульсов 0,5–100 Гц. Во всех экспериментах время воздействия для группы «стационарного воздействия» было в 2 раза меньше, чем для группы «импульсного воздействия». Для измерения интенсивности ультразвука использовался аппарат UPM-DT-10E (Ohmic Instrument Co., Easton, MD, USA). Выходные интенсивности составляли 0,3 Вт/см² и 0,8 Вт/см². В работе использовались опухолевые клетки человеческой гистоцитарной лимфомы U937, культивируемые в питательной среде RPMI-1640 при температуре 37 ºС и 5 % уровне СО₂. В ходе исследования оценивалась выживаемость клеток (общее количество, количество живых и мертвых (некротических) клеток). Образование ОН-радикалов оценивали методом электронного парамагнитного резонанса.

Результаты. Облучение опухолевых клеток ИП-УЗИ приводит к снижению общего количества клеток, причем эффект зависит от частоты повторения импульсов. Минимальное количе- ство клеток наблюдалось в диапазоне частот от 0,5 до 3 Гц. При частоте повторения импульсов 5 и 10 Гц общее количество клеток было близко к группе контроля, на частотах 50 и 100 Гц этот показатель составлял в среднем 60 % по сравнению с группой контроля. Процент живых клеток изменялся сходным образом. В диапазоне от 0,5 до 3 Гц наблюдалось минимальное количество живых клеток. На частотах 5 и 10 Гц наблюдалось их максимальное количество, которое составляло почти 80–90 % по сравнению с группой контроля. На более высоких частотах этот показатель снижался. Обратная ситуация наблюдалась при исследовании количества мертвых (некротических) клеток после воздействия ИП-УЗИ. Наименьший процент мертвых клеток (менее 5 %) был отмечен на частоте повторения импульсов 5 Гц, на остальных частотах этот показатель варьировал от 10 до 20 %. Следует отметить, что после воздействия стационарным УЗИ общее количество клеток было меньше, чем в группе «импульсного» воздействия, – всего 10 %. Однако в этом случае клетки гибли еще в момент воздействия, т.е. не за счет некротической гибели, а за счет роста температуры и механического разрушения клеток. Стационарное воздействие даже при столь низких интенсивностях (0,3 Вт/см2) является достаточно агрессивным, по сравнению с импульсным, и может приводить к повреждению окружающих тканей.

Импульсное воздействие УЗИ приводило к продукции внутри клеток гидроксил-радикалов, которые, как известно, являются одним из ключевых факторов, способствующих гибели клеток после воздействия каким-либо видом излучения. На частоте 5 Гц наблюдалась минимальная продукция ОН-радикалов, в то время как на частотах ниже 5 Гц их продукция увеличивалась, что в результате и приводило к значительному снижению клеточности опухолевых клеток после облучения и увеличению процента некротических клеток.

Эти данные согласуются с полученными нами ранее данными по исследованию противоопухолевого действия импульсно-периодических рентгеновского и СВЧ-излучений. По-видимому, любой вид излучения становится эффективнее при использований низких доз или интенсивностей, если оно применяется в импульсно- периодическом режиме. Причем используемые частоты должны находиться в диапазоне от 0,5 до 50 Гц, в пределах которого зависимость «частота–эффект» будет изменяться немонотонно.

Вывод. Импульсно-периодическое УЗИ тормозит рост опухолевых клеток человеческой гистоцитарной лимфомы U937 при интенсивности 0,3 Вт/см2 за счет продукции в клетках гидроксил-радикалов, т.е. проявляется нетермальный механизм действия УЗИ. Эти данные делают перспективными дальнейшие исследования в плане возможного применения ИП-УЗИ в терапии опухолей.