Медицинская биофизика: молекулы и болезни. Мед биофизика


Медицинская биофизика 060602.65

Срок обученияНа базе 11 класса:Вступительные экзамены
Прием абитуриентов в высшие учебные заведения России осуществляется по результатам Единого государственного экзамена (ЕГЭ). Согласно правилам приема в вузы, учебные заведения имеют право устанавливать не менее трех вступительных экзаменов (включая обязательный русский язык и профильный предмет) согласно Перечню вступительных испытаний. Данный перечень формируется Министерством образования и науки.

 

Прием абитуриентов в средние специальные учебные заведения проводится по результатам ГИА или ЕГЭ. Колледжи и техникумы имеют право устанавливать не менее двух вступительных экзаменов, одним из которых должен быть русский язык. Перечень вступительных испытаний в колледжи также устанавливает Министерство образования и науки.

1. Русский язык

2. Физика (профильный)

3. Биология

 или 

Химия

Будущая квалификация

Это уровень подготовки выпускников средних специальных и высших учебных заведений. Выпускникам, освоившим образовательные программы высшего профессионального образования, присваивается квалификация (степень) бакалавра, специалиста либо магистра по соответствующему направлению подготовки. Степень бакалавра позволяет поступить в магистратуру, а квалификация специалиста и магистра – в аспирантуру.

 

Выпускники техникумов и колледжей получают квалификацию базового или повышенного уровня подготовки. Название квалификации зависит от профессиональной области. Педагогическое образование предполагает получение квалификации учителя, педагога или воспитателя, медицинское – акушера, фельдшера, образование в области искусства – актера, художника, модельера. Во всех остальных областях выпускникам присваивается квалификация техника, технолога, техника-технолога (базовый уровень) или старшего техника, старшего технолога, старшего техника-технолога, специалиста (повышенный уровень).

Наряду с квалификацией «специалист» по направлению подготовки «Медицинская биофизика» присваивается специальное звание врача

Будущие профессии Биолог | Биофизик | Врач | Врач лучевой диагностики  | Врач ультразвуковой диагностики  | Врач-биофизик | Врач-кибернетик | Генетик | Иммунолог | Медицинский технолог Чему научат?
  • Осуществлять приём терапевтических, хирургических и неврологических больных, определять их основные симптомы и синдромы, ставить предварительный диагноз
  • Оказывать неотложную врачебную помощь
  • Составлять план лабораторно-инструментального обследования больного
  • Проводить биохимические, биофизические, иммунологические и медико-генетические исследования для постановки диагноза
  • Подбирать лекарственные и нелекарственные методы лечения с учётом проявлений и особенностей заболевания
  • Составлять родословную, объяснять результаты цитогенетического исследования, давать заключение о результатах медико-генетического консультирования
  • Разрабатывать и внедрять в современную медицинскую практику новые научные и диагностические методы исследования, в том числе с применением высоких технологий
  • Внедрять в практику медицинских организаций новые методы восстановительной медицины
  • Изучать биофизические и физико-химические механизмы возникновения и развития патологий в клетках организма человека
  • Использовать в своей работе современную биофизическую, биохимическую и клиническую лабораторную аппаратуру
  • Проверять и устранять основные неисправности электронно-медицинской аппаратуры
  • Соблюдать правила врачебной этики, хранить врачебную тайну и придерживаться закона при работе с конфиденциальной информацией
  • Проводить среди населения мероприятия, связанные с вопросами здоровья, здорового образа жизни, влияния на здоровье экологии, профилактики различных заболеваний
  • Преподавать в высших учебных заведениях и колледжах естественнонаучные, медико-биологические и клинические дисциплины
  • Составлять учебно-методические пособия и разработки по профессиональной деятельности
  • Организовывать и планировать работу медицинского персонала
  • Свободно разговаривать на одном из иностранных языков
Важные учебные предметыВнутренние болезни | Клиническая лабораторная диагностика | Лучевая диагностика и терапия | Медицинская биофизика | Медицинская электроника | Медицинские биотехнологии | Общая и медицинская генетика | Общая и медицинская радиобиология | Педиатрия | Физиологическая кибернетика Практика студентов

Учебная и производственная практики студентов, обучающихся по направлению подготовки «Медицинская биофизика», могут проходить в лечебно-профилактических учреждениях (поликлиниках, больницах, врачебных амбулаториях, клиниках, медицинских центрах), научно-исследовательских и научно-производственных организациях биологического, медицинского, сельскохозяйственного и экологического профиля, а также в колледжах и вузах.

Итоговая аттестация студентов:
  • Защита дипломной  работы
Вы можете освоить эту специальность в следующих регионах:Вся Россия - 9 вузов Похожие специальностиПоищем по тегам?медицинское образование, медицинские специальности, медицинские профессии, профессия врач-биофизик, профессия генетик, профессия иммунолог, врач ультразвуковой диагностики, профессия биофизик, профессия биолог Материал подготовлен сайтом www.moeobrazovanie.ruЛюбое использование материала страницы допускается только с письменного согласия редакции.

moeobrazovanie.ru

Вузы России со специальностью медицинская биофизика – 30.05.02 на 2018 год

Наилучший результат у КФУ – 1-ое место в рейтинге вузов Казани. Всего в России 7 вузов со специальностью 30.05.02. «Медицинская биофизика» занимает 204-ое место в рейтинге специальностей.

место в РФ | очки

10-ое 563.1

  • подразделение:институт фундаментальной медицины и биологии

  • предметы:биология, русский язык, физика

    • форма

      очная

    • места

      10

    • стоимость

      169 050

    • баллы егэ

      216

место в РФ | очки

13-ое 552.0

место в РФ | очки

15-ое 547.0

место в РФ | очки

24-ое 527.3

  • подразделение:школа биомедицины

  • предметы:математика, русский язык, физика

    • форма

      очная

    • места

      20

    • стоимость

      210 000

    • баллы егэ

      216

место в РФ | очки

32-ое 517.3

  • подразделение:медико- биологический факультет

  • предметы:биология, русский язык, физика

    • форма

      очная

    • места

      10

    • стоимость

      155 640

    • баллы егэ

      182

место в РФ | очки

36-ое 510.4

  • подразделение:Медико-биологический факультет

  • предметы:биология, русский язык, физика

    • форма

      очная

    • места

      15

    • стоимость

      212 000

    • баллы егэ

      215

возраст

102 года

место в РФ | очки

54-ое 495.1

  • подразделение:Институт биологии и биомедицины

  • предметы:математика, русский язык, физика

    • форма

      очная

    • места

      -

    • стоимость

      163 000

    • баллы егэ

      -

возраст

204 года

место в РФ | очки

106-ое 457.9

возраст

93 года

место в РФ | очки

119-ое 452.8

место в РФ | очки

126-ое 450.8

  • подразделение:Медико-биологический факультет

  • предметы:биология, русский язык, физика

    • форма

      очная

    • места

      30

    • стоимость

      186 740

    • баллы егэ

      198

место в РФ | очки

129-ое 450.1

возраст

83 года

место в РФ | очки

516-ое 350.1

vuzoteka.ru

Образовательные программы: Медицинская биофизика

Описание программы:

ch30.05.02Медицинская биофизика chЗдравоохранение и медицинские науки chИнститут естественных наук и математики chСпециалитетОчная форма: 6 лет ch2017, 2018 chОчная ch русский

Современная медицина становится все более технически оснащенной и все больше опирается на лабораторную и инструментальную диагностику. Глубокому освоению этих аспектов медицины посвящены специальности группы «Фундаментальная медицина» - «Медицинская биохимия» и «Медицинская биофизика».  

Образовательные программы «Медицинская биохимия» и «Медицинская биофизика» (специалитет) реализуются в Институте естественных наук и математики УрФУ, департамент биологии и фундаментальной медицины. Обучение по ним длится 6 лет. По окончании выпускник получает квалификацию "Врач-биохимик или "Врач-биофизик", соответственно.

Традиционно, в нашей стране выпускник медицинского вуза получал возможность самостоятельно работать врачом только после прохождения первичной специализации в интернатуре или ординатуре. Сегодня положение радикально изменилось. Согласно действующему законодательству, выпускник по специальности «Медицинская биохимия» может работать врачом клинической лабораторной диагностики, а выпускник по специальности «Медицинская биофизика» - врачом функциональной диагностики в лечебно-профилактических учреждениях сразу по окончании вуза. Это значит, что врач-биохимик будет допущен к выполнению и контролю качества разнообразных лабораторных исследований, а врач-биофизик – к инструментальной оценке функций организма пациента с целью диагностики заболеваний, например электрокардиографии, электроэнцефалографии и других методик.

Для более глубокого освоения специальности в Российской Федерации предусмотрена постдипломная подготовка в виде клинической ординатуры (2 года).  У выпускника ординатуры появляются дополнительные возможности и более узкие специализации. В частности, врачу-биохимику можно пройти ординатуру по специальностям «Бактериология», «Вирусология», «Генетика», «Лабораторная генетика», «Судебно-медицинская экспертиза». Врач-биофизик получает возможность пройти ординатуру по вышеперечисленным специальностям, кроме «Генетики» и «Судебной медицины», а также по «Клинической лабораторной диагностике», «Радиологии», «Рентгенологии», «Ультразвуковой диагностике».

Обучение по специальностям «Медицинская биохимия» и «Медицинская биофизика» отличается от подготовки врача по традиционным для медицинских вузов специальностям "Лечебное дело", «Педиатрия», «Стоматология», бóльшим количеством предметов фундаментального медико-биологического и физико-химического направления (биология клетки, антропология, общая, биоорганическая, аналитическая и физическая химия, биохимия человека и медицинская биохимия, общая и медицинская биофизика и др.) и меньшим количеством часов клинических дисциплин. Важно понимать, что квалификация врача-биохимика и врача-биофизика не дает права заниматься непосредственным лечением больных, а только лабораторными и инструментальными исследованиями. Однако в сферу профессиональных интересов врача-биохимика и врача-биофизика входит не только повседневная работа в больницах, но и научная работа в вузах и НИИ, в частности создание новых лекарственных препаратов, разработка новых методов инструментальных исследований. Поэтому, если для вас представляет интерес работа на стыке медицины и фундаментальных естественнонаучных дисциплин, возможность постоянного совершенствования знаний и умений в этих областях, то ваш выбор «Медицинской биохимии» или «Медицинской биофизики» вполне оправдан.

 

Подробнее с учебными планами и образовательными стандартами специальностей, а также приказами Минздрава РФ, регламентирующими возможности трудоустройства выпускников, вы можете ознакомиться на нашей странице.    

programs.edu.urfu.ru

Медицинская биофизика

А.Б.Рубин, О.Р.Кольс, Т.Е.Кренделева и др.

Направление «медицинская биофизика» ориентированно на использовании в медицине результатов фундаментальных исследований в области мембранных процессов, фотобиологии, биофизики клетки. Эти результаты медицина использует для познания на молекулярном уровне механизмов возникновения заболеваний, для ранней диагностики, для выработки способов воздействия на патологические процессы.

Важным направлением исследований в области биофизики клетки, имеющим прикладное медицинское значение, являются исследование функциональных свойств эритроцитов и связи изменения формы и объема клетки, а также вязкости и проницаемости клеточной мембраны, с конформацией гемопорфирина гемоглобина и эффективностью переноса кислорода. Выявлены изменения вязкости и проницаемости плазматической мембраны эритроцита и сродства гемоглобина к О2 и NO у больных артериальной гипертонией и ишемической болезнью сердца. Установлено, что при этих болезнях наблюдаются увеличение вязкости липидов различных областей плазматической мембраны, более высокие скорости Na+ /H+ - обмена, активность Са2+ - зависимых К+ - каналов и низкая активность Са2+ - АТФазы. Предполагается, что выявленные изменения вязкости и проницаемости плазматической мембраны снижают эффективность переноса кислорода гемоглобином при артериальной гипертонией и ишемической болезнью сердца. Установлен характер изменения вязкости плазматической мембраны эритроцита и сродства гемоглобина к О2 и NO у здоровых доноров, проживающих в условиях высокогорья. Вероятно, изменения в содержании комплексов гемоглобин — лиганд и гемоглобин — NO у доноров, проживающих в условиях высокогорья, повышают эффективность переноса кислорода гемоглобином.

Исследовано воздействия факторов космического полета (α- частицы и дейтроны, магнитное поле, оптическое, лазерное излучение) на функционирование нервной клетки и эритроцитов. Впервые обнаружены особенности связывания кислорода в эритроцитах человека в ходе космического полета. Выявлено увеличение вязкости и отношения содержания холестерина к содержанию фосфолипидов, а также увеличение специфической проницаемости плазматической мембраны для ионов Na+ и H+ и изменения конформации гемопорфирина гемоглобина. Установлено, что после космического полета обратимо снижается содержание гемоглобина и его комплексов. В ходе космического полета снижение числа дискоцитов осуществляется за счет увеличения числа трансформированных эритроцитов (книзоцитов и овалоцитов). По-видимому, в условиях космического полета связывание кислорода и содержание комплексов гемоглобина зависит от формы клетки, вязкости и проницаемости плазматической мембраны.

Методы адресной доставки лекарств и генетического материала в клетки

Эти исследования находятся на стыке биофизики, молекулярной биологии, биоинженерии, нанобиолотехнологии, фармакологии и онкологии. Одним из методов является опосредованный мембранными рецепторами эндоцитоз (см. иллюстрацию на последней странице обложки) — процесс избирательного концентрирования и поглощения клеткой веществ, для которых на плазмалемме существуют специфичные интернализуемые рецепторы.

Большое место в этих работах занимает проблема внутриклеточной доставки противораковых лекарств. Фотосенсибилизаторы − молекулы, генерирующие при освещении активные формы кислорода, − используются для фотодинамической терапии рака и ряда др. болезней; к сожалению, они вызывают поражение здоровых клеток и тканей, и другие побочные эффекты, причем их цитотоксическое действие ограничивается преимущественно плазматической мембраной. Для доставки фотосенсибилизаторов в наиболее чувствительную к ним мишень — ядро — сконструированы модульные рекомбинантные транспортеры (МРТ). В состав МРТ входят:

лиганд к интернализуемым рецепторам, обеспечивайщий поглощение МРТ клеткой,

эндосомолитический компонент, обеспечивайщий выход МРТ из эндосом в цитоплазму,

сигнал ядерной локализации, ответственный за транспорт МРТ в ядро клетки,

белок-носитель и

фотосенсибилизатор либо другой лекарственный компонент, который требуется доставить в ядро.

Для улучшения внутриядерной доставки конъюгатов применяются аттенюированные (ослабленные) аденовирусы, обладающие способностью образовывать поры в мембранах эндосом. Наиболее эффективные модульные конъюгаты оказались на несколько порядков более эффективными, чем свободные, неконъюгированные фотосенсибилизаторы. Транспортеры могут быть эффективно использованы для доставки других локально действующих лекарств − радионуклидов, испускающих альфа- частицы и также применяемых для терапии рака. Показано, что транспортеры могут увеличивать цитотоксическое действие источника альфа-эмиттера астата-211 примерно в десять раз.

МРТ придают фотосенсибилизаторам клеточную специфичность: конъюгаты фотосенсибилизатор-МРТ обладают в сотни и тысячи раз большей эффективностью в отношении клеток- мишеней, чем немодифицированные фотосенсибилизаторы, но − в отличие от последних − не фототоксичны в отношении клеток, не являющихся мишенями. Оказалось возможным заменять лигандные модули в составе МРТ, что позволило переключить МРТ на другой тип клеток-мишеней, а также существенно (более чем в 3000 раз) увеличить фототоксическую эффективность применяемых фотосенсибилизаторов.

При разработке метода рецептор-опосредуемой трансфекции предпринята попытка имитировать вирусный путь доставки генетической информации, используя искусственные конструкции. Известно, что вирусы эффективно переносят свой генетический материал в клетки-хозяева. У большинства вирионов есть:

компоненты, ответственные за узнавание интернализуемых (т.е. поглощаемых путем эндоцитоза после связывания с соответствующим лигандом) рецепторов на поверхности этих клеток,

компоненты, обладающие эндосомолитической активностью,

участки, обеспечивающие транспорт нуклеиновых кислот в ядро,

компоненты, обратимо связывающие нуклеиновые кислоты.

Удалось продемонстрировать возможность доставки генов in vivo, например, в эпителиальные клетки молочных желез с использованием конструкций, доставляющих ДНК путем рецептор-опосредуемого эндоцитоза. Этот же подход был эффективно использован и для трансфекции ранних эмбрионов млекопитающих.

Антимикробная фотодинамическая терапия

Антимикробная фотодинамическая терапия — новый перспективный метод лечения инфекций кожи и слизистых, основанный на избирательной окислительной деструкции патогенных микроорганизмов при комбинированном воздействии красителя (фотосенсибилизатора) и оптического излучения соответствующего спектрального состава.

При исследовании молекулярных основ фотодинамической инактивации клеток большое внимание уделяется комплексному определению параметров их жизнедеятельности: интенсивности дыхания, целостности плазматической мембраны и генетического аппарата. Это помогает установить механизмы действия фотосенсибилизаторов, их субклеточную локализацию и основные мишени окислительной деструкции. Разработан новый метод скрининга фотосенсибилизаторов с антибактериальной активностью по тесту фотоиндуцированного подавления биолюминесценции генно-инженерных штаммов бактерий.

В последние годы отмечается все ускоряющийся процесс развития лекарственной устойчивости патогенных микроорганизмов. В этой связи антимикробной фотодинамической терапии уделяется большое внимание, и этот метод рассматривается как альтернативный способ борьбы со штаммами возбудителей заболеваний, устойчивыми к действию традиционных лекарственных препаратов.

Разработаны новые и модифицированы известные методики качественной и количественной оценки внутриклеточной локализации и внутриклеточного движения макромолекул. В их число входят: методы конфокальной лазерной сканирующей микроскопии, метод восстановления флуоресценции после фотоотбеливания, позволяющий определять константы скорости и коэффициенты диффузии перемещающихся молекул в клетке, долю подвижных и неподвижных изучаемых молекул и др., методы радиационной инактивации, различные варианты видео-интенсифицированной микроскопии, включая методы деконволюции, поверхностный плазмонный резонанс и атомно-силовая микроскопия.

Разработка новых методов исследования часто приводит к появлению новых направлений в медицинской практике. Так произошло и в случае метода зондового микрофлуорометрического анализа клеток или метод флуоресцентных зондов. Активное его применение в последние десятилетия показало широкие, подчас недоступные для других методов, возможности такого подхода. Это, в первую очередь, связано с возможностью проведения с помощью набора флуорохромов комплексного количественного анализа структуры и различных сторон метаболизма живой клетки.

Целый ряд флуоресцирующих соединений (как внутриклеточной природы, так и вводимых в клетку извне) обладает способностью отвечать изменением параметров собственной флуоресценции на изменение физико-химических свойств окружения. Благодаря этому создается возможность следить за такими параметрами клетки, как электрический потенциал на мембране, концентрация протонов и кальция, вязкость липидного бислоя, подвижность компонентов плазматической мембраны и ее проницаемость, клеточная жизнеспособность, синтетическая активность клетки, состояние ее митохондриального и лизосомального аппарата, содержание некоторых внутриклеточных соединений. Число специально синтезируемых флуорохромов постоянно растет, что позволяет изучать все новые стороны клеточного метаболизма.

С помощью зондового микрофлуориметрического анализа клеток и молекулярной фотобиологии микроорганизмов исследуют механизмы модифицирующего и повреждающего действия на клетки биологически активных факторов различной природы (электромагнитного излучения рентгеновского и ультрафиолетового и видимого диапазонов, изменения силы тяжести, гипоксии и реоксигенации, активных форм кислорода, биологически активных веществ, регуляторных пептидов, ряда фармакологических препаратов, включая фотосенсибилизаторы). На базе проводимых исследований ведется работа по созданию клеточных тест-систем и животных моделей для оценки эффективности биологического действия факторов физической и химической природы и изучению механизмов их действия.

mirznanii.com

МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА - PDF

Транскрипт

1 В. О. Самойлов МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА Учебник для вузов 3-е издание, исправленное и дополненное Рекомендован Учебно-методическим объединением по технической физике в качестве учебника для студентов, обучающихся по направлению бакалаврской подготовки «Техническая физика», по магистрским программам «Медицинская и биоинженерная физика» Санкт-Петербург СпецЛит 2013

2 УДК C17 Рецензенты: А. Э. ФОТИАДИ заведующий кафедрой физической электроники Санкт-Петербургского Государственного Политехнического университета, доктор физ.-мат. наук, профессор; В. К. ИВАНОВ заведующий кафедрой экспериментальной физики Санкт-Петербургского Государственного Политехнического университета, доктор физ.-мат. наук, профессор; Ю. В. НАТОЧИН профессор кафедры физиологии медицинского факультета Санкт-Петербургского Государственного университета, доктор мед. наук, профессор, академик РАН; Ю. А. ВЛАДИМИРОВ заведующий кафедрой биофизики факультета фундаментальной медицины МГУ им. М. В. Ломоносова, доктор биологических наук, академик РАМН Рекомендован Проблемной учебно-методической комиссией по нормальной физиологии при Всероссийском учебно-научно-методическом центре по непрерывному медицинскому и фармацевтическому образованию МЗ РФ в качестве дополнительной литературы для студентов медицинских вузов С17 Самойлов В. О. Медицинская биофизика : учебник для вузов / В. О. Самойлов. 3-е изд., испр. и доп. СПб. : СпецЛит, с. : ил. ISBN В книге рассмотрены основные вопросы медицинской биофизики в русле учебной программы, построенной в соответствии с системой физических и физико-химических процессов, лежащих в основе жизни. В учебнике пять разделов: транспорт веществ через биологические мембраны (биомембранология), биоэнергетика, биологическая электродинамика, биомеханика, информация и регулирование в биологических системах. В каждом из разделов приводятся примеры нарушения основных биофизических процессов при патологии. В Приложении представлены справочные таблицы физических констант и единиц перевода в СИ. Издание соответствует государственным образовательным стандартам учебных дисциплин «Медицинская биофизика» направления бакалаврской подготовки «Техническая физика», специальностям «Биоинженерная физика» и «Медицинская биофизика». Учебник предназначен для студентов технических университетов и в качестве дополнительной литературы для студентов медицинских вузов. УДК ISBN ООО «Издательство СпецЛит», 2009

3 СОДЕРЖАНИЕ Условные сокращения Предисловие Введение в биофизику Предмет биофизики Методы и направления современной биофизики Особая миссия биофизики в биологии и медицине Раздел 1 ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ В ОРГАНИЗМЕ (БИОМЕМБРАНОЛОГИЯ) 1.1. Структура, свойства и функции биологических мембран Структурно-молекулярная организация биологических мембран Физические и физико-химические свойства биологических мембран Функции биологических мембран Модели биологических мембран Искусственные мембраны Пассивный и активный транспорт веществ (массоперенос) через биомембраны Кинетика биофизических процессов массопереноса Уравнения переноса Кинетика сопряженных процессов массопереноса Сопряженный массоперенос заряженных частиц (ионов) через биологическую мембрану Проницаемость клеточных мембран Транспорт липофильных веществ через биологические мембраны Транспорт гидрофильных веществ через биологические мембраны Биологические насосы Активный транспорт (общие положения) Системы активного транспорта ионов Ионный транспорт у галобактерии Облегченная диффузия Специальные механизмы трансмембранного массопереноса Транспорт веществ в многомембранных системах организма Понятие о многомембранной системе Биофизические механизмы всасывания веществ в желудочно-кишечном тракте Биофизический механизм секреции Обмен жидкости через стенку кровеносного капилляра Биофизические механизмы выделения веществ почками Биофизические основы дыхания Рекомендуемая литература Раздел 2 БИОЭНЕРГЕТИКА 2.1. Квантово-механические основы биоэнергетики Основные понятия квантовой механики Испускание и поглощение энергии атомами и молекулами Квантово-механические особенности строения биомолекул Механизмы переноса энергии и заряда в биомолекулярных системах Люминесценция биологических систем

4 4 Содержание 2.2. Электронная схема жизни Биофизические механизмы фотосинтеза Биофизика клеточного дыхания Первое начало термодинамики и живые организмы Определения основных термодинамических величин Первое начало термодинамики Свободная и связанная энергия Обратимые и необратимые процессы Применение первого начала термодинамики к живым организмам Источники свободной энергии живого организма и виды совершаемых им работ Тепловой баланс организма, способы теплообмена Химическая и физическая терморегуляция Энерготраты организма, основной обмен Физиологическая калориметрия (биокалориметрия) Второе начало термодинамики Понятие энтропии Статистический смысл энтропии Формулировка второго начала термодинамики Диссипативная функция Научное и практическое значение второго начала термодинамики Второе начало термодинамики в биологических системах Стационарное состояние Теорема Пригожина Термодинамический критерий эволюции. Особенности биологической эволюции Диссипативные структуры Методологическое значение второго начала термодинамики Рекомендуемая литература Раздел 3 БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА 3.1. Основные положения теории электромагнитного поля Истоки теории ЭМП Материальные уравнения Максвелла Взаимодействие ЭМП с веществом Основные уравнения Максвелла Излучение и распространение электромагнитного поля Электромагнитный спектр (шкала электромагнитных волн) Преобразование электрического поля физическими средами Электрические и магнитные свойства тканей организма Электропроводность живых тканей Диэлектрические свойства живых тканей Магнитные свойства живых тканей и биологические эффекты магнитных полей Дисперсия электрического импеданса живых тканей Механизмы биоэлектрогенеза и его роль в возбуждении Развитие концепции «животного электричества» до создания Сванте Аррениусом теории электролитической диссоциации Физико-химические основы биоэлектрогенеза Потенциал покоя Потенциал действия

5 Содержание Роль ионных каналов в биоэлектрогенезе Возбудимость и возбуждение Реакции невозбудимых и возбудимых мембран на раздражители Вольт-амперные характеристики возбудимой и невозбудимой мембран Пороговый раздражитель как мера возбудимости Электротонические явления Рефрактерность Аккомодация возбудимых тканей Лабильность возбудимых тканей Локальный ответ Распространение возбуждения Кабельные свойства биологических мембран Бездекрементное распространение возбуждения по возбудимой мембране Сальтаторное проведение нервного импульса Уравнение Ходжкина Хаксли Синаптическая передача Внешние низкочастотные электромагнитные поля тканей и органов, биофизические основы электрографии Механизм образования внеклеточного потенциала возбуждения в нервном и мышечном волокнах Биофизические основы электрографии Биофизические основы электрокардиографии Взаимодействие электрической составляющей электромагнитного поля с организмом Биологическое действие ЭМП низкой частоты Биологическое действие ЭМП высокой частоты Частотно-зависимые биологические эффекты ЭМП Рекомендуемая литература Раздел 4 БИОМЕХАНИКА 4.1. Механические свойства живых тканей Ультраструктурная основа механических свойств живых клеток Промежуточные филаменты Система микрофиламентов (тонких нитей) Система микротрубочек Биофизика мышечного сокращения (актин-миозиновая система миоцита) Особенности актин-миозиновой системы миоцита поперечнополосатых мышц Механизм мышечного сокращения Механические процессы в опорно-двигательном аппарате человека Биомеханические свойства скелетных мышц Ремоделирование костной ткани как основа ее прочности Биомеханика суставов скелета Биомеханика внешнего дыхания Биомеханика кровообращения Элементы биомеханики сердца Биофизические закономерности движения крови по сосудам Биомеханические процессы в жгутиках и ресничках Рекомендуемая литература

6 6 Содержание Раздел 5 ИНФОРМАЦИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЕ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ 5.1. Механизмы преобразования информации в рецепторах сенсорных систем Рецепторы сенсорных систем, классификация рецепторов Биофизические механизмы преобразования информации в рецепторах Понятие о кодировании и некоторые особенности кодирования информации в рецепторных аппаратах Биофизика слуха Биофизика зрения Биофизика хемосенсорных систем Информация и живой организм Элементы теории информации Примеры применения теории информации к анализу процессов передачи информации в нервных каналах связи Информация, заключенная в генетическом коде Регулирование биологических процессов Содержание кибернетики и бионики Стратегия управления функциями организма Понятие о местной регуляции физиологических процессов Понятие о гуморальной регуляции физиологических процессов Нервная регуляция физиологических процессов Обратные связи в рефлекторных актах Элементы теории автоматического регулирования Приложение теории автоматического регулирования к рефлекторной деятельности Форпостное регулирование функций организма Регуляция температуры тела гомойотермного организма Заключение Рекомендуемая литература Приложения Предметный указатель Литература

7 УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ АДФ АКМ АМФ АО АРФ АСУ АТФ АЦ АЧХ БМ БП БР ВАХ ВПСП ВЭКС ГМК ГП ДК ДСК ДСЛ ДЦ ЖК ИНТ ИЭВС КАГ КГР КД КМП Кр КрФ КУ КУД КФК МДП МДС Метод ЛКАО МО МОД МП МЦК МЦТ НАД НС ОД ОР ОРФ ОС ОСБ ОЦ ПКА ПКП аденозиндифосфат альвеолокапиллярная мембрана аденозинмонофосфат атомные орбитали абсолютно рефрактерная фаза автоматическая система управления аденозинтрифосфат аденилатциклаза амплитудно-частотная характеристика биомембрана биопотенциалы бактериородопсин вольт-амперная характеристика возбуждающий постсинаптический потенциал векторэлектрокардиоскопия гладкомышечные клетки генераторный потенциал дыхательный коэффициент дифференциальная сканирующая микрокалориметрия диффузионная способность легких дыхательная цепь жидкие кристаллы инкапсулированное нервное тельце интегральный электрический вектор сердца карбоангидраза кожно-гальваническая реакция кровяное давление критический мембранный потенциал креатин креатинфосфат корректирующее устройство критический уровень деполяризации креатинфосфокиназа максимальный диастолический потенциал магнитодвижущая сила метод линейной комбинации атомных орбиталей молекулярные орбитали минутный объем дыхания магнитная составляющая электромагнитного поля мукоцилиарный клиренс мукоцилиарный транспорт никотинамидадениндинуклеотид наружный сегмент палочки (фоторецептора) облегченная диффузия объект регулирования относительно рефрактерная фаза обратная связь одорантсвязывающие белки окислительная цепь протеинкиназа А потенциал концевой пластинки

8 8 Условные сокращения ПП Р РП САР СКФ СНО СОЭ СПС СР СФ ТК ТМВ ТПСП ТЭА УЗД ФЛ ФМН ФОС ФП ФС ФЭ цамф ЦВД ЦНС ЩК ЭДС ЭКГ ЭКП ЭМВ ЭМГ ЭМП ЭП ЭПР ЭС ЭТЛ ЭЭГ ЯМР Н-АТФаза Са-АТФаза Na-К-АТФаза H-К-АТФаза потенциал покоя регулятор рецепторный потенциал система автоматического регулирования скорость клубочковой фильтрации свободные нервные окончания скорость оседания эритроцитов саркоплазматическая сеть сладкочувствительный рецептор сопрягающий фактор твердые кристаллы типичные миокардиальные волокна тормозный постсинаптический потенциал тетраэтиламмоний уровень звукового давления фосфолипиды флавинмононуклеотид фосфорорганические соединения флавопротеиды фотосистема фаза экзальтации циклический аденозинмонофосфат центральное венозное давление центральная нервная система щелевой контакт электродвижущая сила электрокардиограмма эндокохлеарный потенциал электромагнитная волна электромиограмма электромагнитное поле электрическая составляющая электромагнитного поля электронный парамагнитный резонанс элемент сравнения (компаратор) эластическая тяга легких электроэнцефалограмма ядерный магнитный резонанс водород-активируемая АТФаза (протонная помпа) кальций-активируемая АТФаза натрий-калий-активируемая АТФаза водород-калий-активируемая АТФаза

9 ПРЕДИСЛОВИЕ Четверть века назад увидел свет учебник «Медицинская биофизика» для слушателей Военно-медицинской Академии, в котором учебный материал излагался в соответствии с основными физическими и физико-химическими процессами, лежащими в основе жизнедеятельности. С техпор этот оригинальный подход был успешно применен в учебном процессе не только медицинских, но и технических вузов России. Многие биофизики, как педагоги, так и научные сотрудники, признали учебник удачным и сетовали на его малый тираж и ведомственное издание. При подготовке нового учебника в 2000-е годы прогресс биофизики потребовал глубокой переработки всего учебного материала. Это удалось осуществить в двухизданияхнового учебника «Медицинская биофизика» (в 2004 и 2007 годах). Необходимость новых изданий, включая третье, дополненное и переработанное, была обусловлена рядом обстоятельств. Несмотря на то, что с 2000 года биофизика исключена из учебныхпланов медицинскихвузов России, наш учебник был рекомендован Проблемной учебно-методической комиссией по нормальной физиологии при Всероссийском учебном научно-методическом центре по непрерывному медицинскому и фармацевтическому образованию МЗ РФ в качестве дополнительной литературы для студентов медицинскихвузов, хотя его основным адресатом были медико-физические и медико-технические факультеты и кафедры технических университетов. Второе издание учебника по сравнению с первым было дополнено двумя подразделами: «Биофизика хемосенсорных систем» и «Регуляция температуры тела гомойотермного организма». Это позволило лучше увязать классические представления о регуляции функций организма с принципами кибернетики. Тем самым удалось полнее и глубже охарактеризовать биофизические механизмы информационных и регуляторных процессов в организме человека и животных. В третьем издании подверглись кардинальной переделке главы, посвященные ионным каналам, синаптической передаче, радиобиологии неионизирующихизлучений, биофизике немышечной подвижности. Издание содержит предметный указатель и список литературы, рекомендуемой для более глубокого и широкого изучения каждого из разделов учебника, а также новые иллюстрации, включая цветные рисунки и микрофотографии, которые сделали третье издание не только более наглядным, но и более содержательным. Мои коллеги: А. В. Блинов, В. Н. Карнаухов, В. В. Кораблев, Ю. В. Наточин, В. М. Покровский, И. Н. Топтыгин, Ю. Е. Шелепин нашли в предыдущихизданияхряд неточностей и неудачныхформулировок, которые исправлены в третьем издании. Выражаю глубокую благодарность коллегам за внимание к моему труду и скрупулезный анализ материалов учебника, что способствовало его улучшению. Моя особая благодарность в подготовке третьего издания Е. В. Бигдай, Г. М. Богомоловой, М. С. Жарковой, А. Л. Зефирову, М. Г. Хотину, А. И. Ерофееву. Член-корреспондент РАМН В. О. Самойлов

10 ВВЕДЕНИЕ В БИОФИЗИКУ ПРЕДМЕТ БИОФИЗИКИ Предметом биофизики является изучение физических и физико-химических процессов, лежащих в основе жизни. Существуют и более емкие определения биофизики. Например, лауреат Нобелевской премии А. Сент-Дьердьи утверждал, будто биофизика «все то, что интересно». Термин «биофизика» закрепился в научной литературе с 1892 г., когда Карл Пирсон, автор книги «Грамматика науки», на ее страницах заявил: «наука, пытающаяся показать, что факты биологии морфологии, эмбриологии и физиологии образуют частные случаи приложения общих физических законов, получила название этиологии Быть может, лучше было бы назвать ее биофизикой». А. Фик и вслед за ним другие немецкие ученые называли эту область знания медицинской физикой, но французский физиолог Ж. А. Д'Арсонваль еще до предложения К. Пирсона предпочитал термину «медицинская физика» словосочетание «биологическая физика». Современная биофизика исследует механизмы физических и физико-химических процессов в биологических системах на субмолекулярном, молекулярном, надмолекулярном, клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях. По природе объектов исследования биофизика биологическая наука. По методам изучения биообъектов и анализа результатов исследований биофизика является своеобразным разделом физики (по мнению М. В. Волькенштейна, «биофизика физика явлений жизни»). Она идет в авангарде тех областей биологии, которые превращают эту древнейшую область человеческого знания из гуманитарной в точную науку. Внедрение физических принципов анализа биологических явлений в медицину позволяет ей стать не только искусством, но и наукой. В этом особая роль биофизики среди других медицинских теоретических дисциплин. Зачастую о биофизике говорят как о новой, молодой науке. Так, 9 ноября 1934 г. П. Л. Капица писал: «Биофизика совершенно новая область, она пришла вместе с биохимией на смену старой классической физиологии. Вместо того чтобы изучать физиологические процессы в целом, биофизика и биохимия изучают отдельные элементы живого существа и стараются объяснить его функцию посредством законов физики и химии». Действительно, в отдельную научную дисциплину биофизика выделилась сравнительно недавно, но зачатки биофизики возникли сразу по появлении работ в области экспериментальной физики. Так, некоторые изыскания Г. Галилея (измерение температуры тела, определение работы, совершаемой человеком, и т. п.) можно отнести к биофизическим исследованиям. Стремление объяснить процессы жизнедеятельности человека и животных физическими законами было весьма характерно для творчества многих ученых XVII и XVIII вв. (Р. Бойль, Р. Гук, И. Ньютон, М. В. Ломоносов, П. С. Лаплас, А. Л. Лавуазье и многие другие). XIX в. стал веком торжества аналитических методов в исследовании биологических явлений. Эти методы получили наибольшее развитие в физиологии, в недрах которой зародилась современная биофизика. Многие физиологические процессы, вплоть до нервной деятельности, пытались объяснить на основе физических законов. В отличие от аналогичных попыток предшественников, такие объяснения в значительной мере подтверждались экспериментально. Герман Гельмгольц измерил скорость распространения нервного импульса. Эмиль Дюбуа-Реймон изучил биоэлектрогенез почти всех органов и тканей орга-

11 ВВЕДЕНИЕ В БИОФИЗИКУ 11 низма. Эрнст Вебер объяснил некоторые свойства гемодинамики на основе физических законов. Выдающиеся открытия были сделаны в области биофизики органов чувств достаточно назвать хотя бы закон Вебера Фехнера. Вместе с тем XIX в. определил весьма характерную тенденцию в последующем развитии биофизики. Одним из первых ученых, подметивших и утвердивших эту тенденцию, был Иван Михайлович Сеченов отец русской физиологии. Он вслед за В. В. Петровым, наиболее последовательно развивал в России физико-химическое направление исследований в области физиологии и медицины, использовал методы математики и физической химии для исследования дыхания, установил количественные закономерности растворения газов в биологических жидкостях. В работах И. М. Сеченова прослеживается наиболее перспективный путь развития физиологии и биофизики, связанный прежде всего с физической химией. В докторской диссертации (1860) И. М. Сеченов утверждал: «Физиолог физико-химик, имеющий дело с явлениями животного организма». В XX в. биофизика стала самостоятельной наукой. Она приступила к изучению фундаментальных проблем биологии: наследственности и изменчивости, онтогенеза и филогенеза, метаболизма и биоэнергетики. Большинство исследователей (биофизиков) XVII XIX вв. рассматривали живой организм как физическую систему, причем основным методом такого изучения биологических явлений был поиск внешних аналогий. Заметим, что и сейчас подобный прием не без успеха применяется в биофизике. Например, сокращение мышцы можно моделировать обратным пьезоэлектрическим эффектом, амебоидное движение клеток перемещениями ртутной капли в растворе кислоты, проведение нервного импульса миграцией царапины по железной проволоке, обработанной азотной кислотой (модель Лилли), и т. п. Познавательное значение таких моделей довольно ограниченно. Зачастую при моделировании одного и того же биологического явления они сменяют одна другую вслед за появлением новых технических устройств. Например, рефлекторная деятельность рассматривалась во времена Р. Декарта по аналогии с работой паровой машины, в начале прошлого века телефонной станции, сейчас электронно-вычислительной машины. Однако и подобные (феноменологические) модели нужны. Они позволяют уточнять некоторые детали уже понятых в принципе явлений, конструировать бионические системы, в которых используются закономерности биологической организации для построения сложных технических устройств, например роботов. И все же это полезное направление физического моделирования не является главным в решении кардинальных биофизических задач. Основная цель биофизического исследования состоит в выяснении интимных (внутренних) механизмов биологических процессов, а не в рассмотрении внешних аналогий. Принято считать, что живые организмы представляют собой сложные физико-химические системы. Поэтому не физическое, а физико-химическое моделирование оказалось наиболее плодотворным. Оно привело к созданию ионной теории возбуждения, вскрытию природы биоэлектрогенеза, выяснению свойств биологических мембран и т. д. На этом пути особенно значительны достижения биофизики в последние годы. По существу, современная биофизика это физическая химия и химическая физика биологических систем. Именно такое направление является ведущим в работе двух крупнейших в мире институтов биофизики РАН, которые находятся в городе Пущино под Москвой. Проблемами биофизики занимаются сейчас многие научно-исследовательские учреждения Академии наук, Академии медицинских наук, Минздрава России. Среди них институты физической химии и биохимической физики РАН, Институт биофизики Минздрава России. Развитием биофизики в нашей стране занимаются также университетские кафедры биологической физики.

12 12 ВВЕДЕНИЕ В БИОФИЗИКУ Биофизика пограничная область знаний, причем границы между ней и рядом других биологических наук довольно условны. При проведении этих границ исходят из самого определения предмета биофизики к биофизическим относятся исследования, вскрывающие физические, а также физико-химические механизмы биологических процессов. В биофизических исследованиях применяется основной принцип экспериментального изучения природы количественный анализ реакций организма на определенные стимулы с построением функциональных зависимостей между ними. Процессы жизнедеятельности получают строгую интерпретацию в виде количественных закономерностей, представляющих собой абстрактную форму выражения функциональной зависимости реакции от стимула. Функции организма с незапамятных времен изучает физиология. В разное время содержание физиологии изменялось. Сейчас она рассматривает функцию как форму деятельности с определенным конечным результатом, проявлением которого служат физиологические свойства (В. А. Шидловский, 1981). В их внутренние механизмы невозможно проникнуть, используя традиционные физиологические подходы к изучению функций. Эти механизмы, поскольку они имеют физическую и химическую природу, изучают биофизика и биохимия. Различие задач биофизики и физиологии в изучении функций организма можно проиллюстрировать таким примером. Исследуя биопотенциалы, биофизик интересуется прежде всего механизмом возникновения электромагнитных процессов в живых тканях, физико-химическими основами этого феномена, его энергетическим обеспечением, тогда как для физиолога биопотенциалы являются показателями жизнедеятельности организма, служат количественной характеристикой важнейших физиологических свойств (прежде всего, возбудимости). Так, по электрокардиограмме физиолог судит о свойствах сердечной мышцы (автоматизме, возбудимости, проводимости). Его меньше занимает физико-химическая природа электрогенеза в миокарде, что составляет основную задачу биофизического исследования электрических процессов в сердце. Биохимия, подобно биофизике, также стремится проникнуть в механизмы физиологических явлений, но изучает их химическую природу. Понятны трудности в разграничении биофизических и биохимических исследований, но это необходимо делать. «Не подлежит сомнению, утверждал академик Г. М. Франк (1974), что любые проявления жизни и живые организмы в целом в конечном итоге химические машины". Однако, несмотря на примат химии, химический язык и химические концепции недостаточны, чтобы раскрыть материальную сущность явлений жизни. Это в первую очередь относится к путям превращения энергии, природе сил взаимодействия и разнообразным физическим процессам, таким, например, как генерация электрических потенциалов, возникновение механической энергии, механизмы управления и регуляции». МЕТОДЫ И НАПРАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ БИОФИЗИКИ Биофизические методы создаются на основе физических и физико-химических методов изучения природы. В них должны сочетаться трудно совместимые свойства: высокая чувствительность и большая точность. Этому условию отвечают прежде всего достижения современной электроники. Весьма плодотворно использование оптических методов. Широко применяются различные методы спектроскопии, включая радиоспектроскопию (методы электронного парамагнитного резонанса ЭПР, позитронно-эмиссионной томографии ПЭТ, ядерного магнитного резонанса ЯМР). Давно вошли в обиход радиоизотопные методики. Любое исследование требует, чтобы регистрирующие приборы не вносили искажений в изучаемый процесс. Для биофизического эксперимента соблюдение

13 ВВЕДЕНИЕ В БИОФИЗИКУ 13 этого требования особенно актуально. Известный советский биофизик Б. Н. Тарусов считал, что в этом требовании заключена важнейшая особенность биофизических методов, отличающая их от применения аналогичных методических приемов в других областях физики. Такая несколько утрированная формулировка специфики биофизических методов имеет определенные основания. Трудно сравнить какую-либо физическую систему с живым организмом по необычайно высокой чувствительности последнего к любым воздействиям на него. Они не просто нарушают нормальный ход биологических процессов, а вызывают сложные приспособительные реакции, разнообразные в разных органах и в различных условиях. Искажение смысла истинных явлений может оказаться столь существенным, что становится невозможным вносить поправки в артефакты (явления, не свойственные изучаемому объекту в естественных условиях и возникающие в ходе его исследования), поскольку методы коррекции, используемые с успехом в физике и технике, зачастую бесплодны в биофизике. Чтобы лучше понять области применения биофизических методов, рассмотрим основные направления научных изысканий в биофизике. Согласно решению Международной ассоциации общей и прикладной биофизики, к ним относят исследования на молекулярном и клеточном уровнях, а также биофизическое изучение органов чувств и сложных систем. Молекулярная биофизика изучает функциональную структуру и физико-химические свойства биологически важных (биологически функциональных) молекул, а также физические процессы, обеспечивающие их функционирование, исследует термодинамику биологических систем, перенос энергии и заряда по биомолекулам, квантовомеханические особенности их организации. Эта часть молекулярной биофизики постепенно выделяется в новый раздел под названием квантовой биофизики. В целом задача молекулярной биофизики раскрыть физико-химические механизмы биологической функциональности молекул. Работы по биофизике клетки посвящены физическим и физико-химическим свойствам клеточных и субклеточных структур, закономерностям деления и дифференцировки клеток, особенностям их обмена веществ (метаболизма), а также биофизическим механизмам специализированных функций клеток (мышечного сокращения, секреции, нервной импульсации и др.). Биофизика органов чувств вскрывает физические и физико-химические механизмы восприятия специфических раздражителей рецепторными аппаратами сенсорных систем (анализаторов) человека и животных (на квантовом, молекулярном, клеточном уровнях). Задача биофизики сложных систем состоит в разрешении общих физико-биологических проблем (происхождение жизни, наследственность, изменчивость и т. д.) на основе физико-математического моделирования важнейших биологических процессов. Многие биофизики настаивают на выделении еще одного направления биофизических исследований биофизических основ экологии. Его содержанием является выяснение механизмов воздействия на организм физических и химических факторов среды. Существует тенденция отождествления всей биофизики с молекулярной биофизикой, что нашло отражение в учебнике М. В. Волькенштейна «Биофизика», изданном для студентов биологических и физических факультетов университетов. Такое ограничение можно допустить для определения области наиболее актуальных научных изысканий современной биофизики, хотя и с этим далеко не все согласны. Так, академик Г. М. Франк еще в 1974 г. утверждал, что «центр тяжести физико-химического рассмотрения основы жизненных явлений смещается теперь в область биологии клетки», поскольку «явления жизни возникают только в си-

14 14 ВВЕДЕНИЕ В БИОФИЗИКУ стеме, называемой клеткой», и, по словам Е. Б. Вильсона (1925), «ключ к каждой биологической проблеме нужно искать в клетке», а современная биофизика стала обладать методами, позволяющими сделать клетку объектом точного физического эксперимента. Это не означает, что другим направлениям биофизических исследований отводится вспомогательная роль. По мнению Г. М. Франка, в развитии биофизики должна соблюдаться «... непрерывность линии исследования от раздела, который мы обозначили как молекулярная биофизика", далее через биофизику клетки к биофизике сложных процессов». Что же касается обучения студентов, которым предстоит работа в области медицины, то оно должно включать все разделы и направления современной биофизики. Только так можно восполнить некоторые традиционные пробелы высшего медицинского образования, тем более что в наших медицинских вузах нет других учебных дисциплин, которые рассматривают физические и физико-химические аспекты современного изучения клетки и надклеточных образований (тканей, органов, целого организма). В то же время преподавание молекулярной биофизики в медицинском вузе может быть несколько ограничено, так как многие вопросы этого раздела (свойства макромолекул, ферменты, биосинтез белка, кинетика нуклеиновых кислот и т. д.) излагаются в курсе биохимии в том объеме, который достаточен будущему врачу. С каждым годом биофизические изыскания приобретают все большее практическое значение. Они вносят существенный вклад в разрешение многих проблем здравоохранения, сельского хозяйства, техники. Вместе с тем всякое новое достижение биофизики неуклонно и даже независимо от воли исследователей укрепляет естественно-научную базу диалектического материализма. ОСОБАЯ МИССИЯ БИОФИЗИКИ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ Из всех учебных дисциплин, преподаваемых будущим врачам и биологам, биофизика наиболее полно и последовательно прививает им классические принципы научной методологии. Человек познает окружающий его мир, воспринимая явления (феномены, по И. Канту) посредством органов чувств. При обследовании больного в качестве явлений выступают симптомы заболевания. Однако для глубокого понимания природы явления и процесса нужно проникнуть в их сущность (ноумен, по И. Канту). В медицине под этим понимают этиологию (причину болезни) и патогенез (механизм развития заболевания). Переход от явления к сущности представляет собой абстрагирование, т. е. формирование в сознании человека умозрительной модели внутренних механизмов процесса и явления того, что находится за пределами наших ощущений. С давних пор люди проникали в сущность явлений интуитивным путем. Выдающийся древнегреческий мыслитель Аристотель достиг в этом непревзойденных успехов и изложил свои правила перехода от явления к сущности в научном трактате под названием «Органон». Однако интуиция зачастую подводит тех, кто уповает только на нее. Ярким примером ненадежности интуитивного пути от явления к сущности служит ошибка самого Аристотеля в решении основополагающей проблемы природы вещей он считал, что естественное состояние природы покой, а в движение ее приводит действие определенных сил. Это мнение Аристотеля исповедовалось человечеством в течение двух тысяч лет, чему способствовало возведение постулата Аристотеля в догмат католической религии в Средние века. Только Г. Галилей и И. Ньютон опровергли Аристотеля и доказали, что естественное состояние природы вечное движение, а покой создается при определен-

15 ВВЕДЕНИЕ В БИОФИЗИКУ 15 ном взаимодействии сил. Правильный вывод удалось сделать благодаря научному методу изучения природы. Научный метод развивался постепенно, и его принципы сформировались в начале XVII в. В 1620 г. английский философ Фрэнсис Бэкон (Франциск Бэкон Веруламский) в книге «Новый органон» сформулировал три атрибута (т. е. неотъемлемого, обязательного признака) научного метода, который представлялся альтернативой интуитивному пути познания. Даже название книги звучало как антитеза «Органону» Аристотеля. Бэкон утверждал: «Греческая мудрость детство науки плодовита в спорах, но бесплодна в делах». Со столь категорическим вердиктом, очевидно, нельзя согласиться, поскольку ученые античного мира совершили много величайших открытий. Однако и ошибок они сделали немало. Причиной ошибок своих предшественников Бэкон считал излишнее доверие интуиции, «здравому смыслу» без проверки умозаключений в эксперименте. «Человеческий разум, предоставленный самому себе, писал Ф. Бэкон, не заслуживает доверия». В развитие заявлений Бэкона первое научное общество в мировой истории (Лондонское Королевское общество), основанное в 1660 г., избрало своим девизом слова Горация: «Nullius in verba» («Ничего словесного»). Только эксперимент дает истинные сведения о сущности явлений («Истина лишь в опыте», заявил позже И. Кант). Таким образом, уже Ф. Бэкон провозгласил эксперимент первым атрибутом научного метода изучения природы. Вторым атрибутом было названо измерение,а третьим математический анализ связи между количественными параметрами стимула и реакции изучаемой системы на него. Д. И. Менделеев, возглавлявший на рубеже XIX XX вв. отечественную метрологию, утверждал, что «наука начинается с тех пор, как начинают измерять», а В. Гете, поэт и физиолог, со знанием дела учил современников и потомков: «В любом учении о природе ровно столько истины, сколько в нем математики». Суть научного метода может быть отображена в виде схеме. Пути проникновения в сущность явлений R = f (S). Эксперимент сводится к изучению реакции (R) исследуемого объекта на стимул (S). Стимулы и реакции на них измеряются, что позволяет установить функциональную зависимость: R = f (S). В истории науки ее строили графоаналитическим методом и получали алгебраическую или тригонометрическую функцию. При ее дифференцировании приходили к дифференциальному уравнению (или системе дифференциальных уравнений), которое служило моделью детерминистических процессов. Изменяя начальные условия при решении дифференциальных уравнений, можно проанализировать прошлое и настоящее системы, а также прогнозировать будущее. Для стохастических процессов использовались методы теории вероятностей. Обычно интуитивный путь познания и научный метод изучения природы гармонично сочетаются. Прежде чем применить научный метод, исследователь формулирует рабочую гипотезу на основе интуиции. Научная гипотеза отличается от простой фантазии тем, что содержит в себе план проверки ее достоверности научным методом. Для человека, не владеющего научной методологией, гипотеза

Учебное издание САМОЙЛОВ Владимир Олегович МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА Учебник 3-е издание, исправленное и дополненное Редактор О. Ю. Гуршева Техническое редактирование и компьютерная верстка И. Ю. Илюхиной Подписано в печать 30.

16 Учебное издание САМОЙЛОВ Владимир Олегович МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА Учебник 3-е издание, исправленное и дополненное Редактор О. Ю. Гуршева Техническое редактирование и компьютерная верстка И. Ю. Илюхиной Подписано в печать Формат / 16. Печ. л ,75 печ. л. цв. вкл. Тираж 2000 экз. Заказ ООО «Издательство СпецЛит» , Санкт-Петербург, Измайловский пр., 29 Тел./факс: (812) , Отпечатано «Первая Академическая типография Наука» , Санкт-Петербург, 9 линия, 12

docplayer.ru

Открытое образование - Медицинская биофизика: молекулы и болезни

  • 15 недель
  • 3 зачётных единицы

О курсе

Цель данного курса лекций заключается в изучении слушателями базовых понятий современной медицинской биофизики: биофизики, биохимии и нанобиотехнологии, её основных достижений в связи с проблемами современной молекулярной патофизиологии. Будут рассмотрены основы молекулярных процессов, методов и методологических подходов, реализуемых в современной медицинской биофизике и нанобиотехнологии. Студенты узнают, что такое ионные каналы, ионные транспортеры, насосы, свободно-радикальные процессы, а также как используются современные методы медицинской биофизики для диагностики различных заболеваний (ишемия, атеросклероз, онкология и др.).

Курс состоит из пяти блоков. Первый блок посвящён изучению структуры и функциональной роли ионных каналов в формировании возбуждения при патологии. Во втором блоке даётся описание молекулярной структуры и роли ионных переносчиков в системных заболеваниях человека и животных. Третий блок посвящён роли активного транспорта ионов, ферментов и ионных АТФаз в формировании патологии. В четвёртом блоке обсуждается важная роль свободно-радикальных процессов при патологии и действии антропогенных факторов. Пятый блок даёт ответы на вопросы внедрения современных физических методов в диагностику ряда патологий.Курс ориентирован на магистров и аспирантов биологических и медицинских специальностей.

 

Формат

Форма обучения заочная (дистанционная). Еженедельные занятия будут включать просмотр тематических видеолекций и выполнение тестовых заданий с автоматизированной проверкой результатов. Важным элементом изучения дисциплины является написание творческих работ в формате сочинения-рассуждения по заданным темам, которое должно содержать полные, развёрнутые ответы, подкреплённые примерами из лекций и/или личного опыта, знаний или наблюдений.

Требования

Курс рассчитан на магистров и аспирантов, владеющих основами физики, химии и биологии в объёме стандартов обучения на биологических и медицинских факультетах высших учебных заведений, а также преподавателей вузов и школ.

Программа курса

Раздел 1. Представлены современные методы и оригинальные результаты, характеризующие важную роль потенциал-зависимых и лиганд-оперируемых ионных каналов в формировании возбуждения клетки, генерации потенциалов действия в норме и при патологии. Анализ ионных токов, активности каналов и состояния мембраны при проведении возбудимой клеткой серии импульсов. Роль следовых потенциалов. Активация ритмоводителей в нейронах при термо-, хемо- и механостимуляции.

Раздел 2. Представлена молекулярно-биологическая и функциональная классификация ионных переносчиков. Обсуждается термодинамика и кинетика ионных переносчиков, а также их физиологическое значение. Анализируется универсальная роль натрий-калий-хлор-котранспорта как регулятора сосудистого тонуса, переносчиков нейротрансмиттеров и их рецепторов в клетках нервной системы, роль хлор-сопряжённых транспортеров в функционировании нейронов и слухового аппарата и в патогенезе гипертонической болезни.

Раздел 3. Мембранный насос — транспортная АТФаза: классификация мембранных АТФаз (АТФазы Р-типа, V(F)-типа, АBC-типа), их локализация и функции. Рассмотрена структура АТФаз Р-типа, их эволюция, механизм функционирования на примере Na, K-АТФазы, значение кардиотонических стероидов в развитии патологий. Обсуждается роль малоизвестных АТРаз Р-типа в развитии патологии (болезнь Коновалова-Вильямса). Н, K-АТРазы, их разнообразие и роль в секреции соляной кислоты в желудке, лекарственные препараты — ингибиторы Н, K-АТРазы и их участие в лечении заболеваний желудочно-кишечного тракта. Cа-АТРаза эндоплазматического ретикулума, структура и механизм функционирования, её роль в физиологии и патологии. Функции АТФаз АВС-типа: устойчивость к лекарственным препаратам. АТФазы V-типа: сравнение с АТФазами F-типа, структура, функции, распределение фермента в клетке и патологии. АТФазы V-типа: роль фермента в развитии остеопороза, формировании метастазов, развитии иммунного ответа лимфоцитов.

Раздел 4. Свободно-радикальные процессы при патологии. Роль активных форм кислорода. Цепные реакции. Антиокислительный статус: ферменты и основные антиоксиданты. Роль супероксиддисмутазы и каталазы при патологии сердечно-сосудистой системы, онкологии и гормональных сдвигах.

Раздел 5. Современные методологии и методы медицинской биофизики. Оптическая когерентная томография (ОКТ): применение и принцип. Применения новой модификации ОКТ, кросс-поляризационной ОКТ для качественной и количественной оценки состояния основных структурных компонентов атеросклеротической бляшки и выявления среди них нестабильных («уязвимых») бляшек. Применение ОКТ изображения бляшек, разработка и применение новых способов количественной оценки рассеивающих и поляризационных характеристик тканей кожи. Методы спектроскопии комбинационного рассеяния, пикосекундной флуориметрии, атомно-силовой микроскопии, конфокальной микроскопии, а также рассеяния наноразмерных комплексов и регистрации активности ферментов (натриевый насос). Наноплазмоника и СЕРС в биомедицинских исследованиях.

Результаты обучения

В результате изучения данного курса слушатели должны:

  • получить представление о медицинской биофизике как науке, об особенностях объекта исследования, методологии и дизайне проведения эксперимента;
  • выучить базовые понятия биофизики, биохимии и патофизиологии, уметь анализировать результаты современных достижений молекулярной биологии в области биомедицинских исследований;
  • освоить принципы и методологию использования физико-химических подходов в биомедицине и нанобиотехнологии;
  • получить представление об основных молекулярных процессах при патологии, действии антропогенных факторов и стрессе.

 

openedu.ru

К ВОПРОСУ О РОЛИ БИОФИЗИКИ В МЕДИЦИНЕ — Большая Медицинская Энциклопедия

К ВОПРОСУ О РОЛИ БИОФИЗИКИ В МЕДИЦИНЕ

Чл.-корр. АМН СССР Ю. А. Владимиров

По вопросам, близким к освещаемой теме, в БМЭ опубликованы статьи Биофизика, Биоэлектрические потенциалы, Люминесценция, Медицинская физика, Мембраны биологические, Мышечное сокращение, 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-хими-ческую 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 фотобиологиче-

ских 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 ит. 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) окисл-ении липидов, сопровождается хеми люминесценцией 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 свободно

радикальном 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.). Хемилю-минесценция лейкоцитарной фракции обусловлена выделением свободных радикалов фагоцитирующими клетками. Это свечение может быть резко усилено в присутствии люминола. Хеми люминесценция 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 ^вободнорадикальных процессов обычными методами лабораторной диагностики.

Молекулярная биофизика

Все основные успехи в изучении функциональной активности и структуры белков и н уклеиновых кислот были сделаны благодаря развитию методов биофизики — рентгеноструктурного анализа белков, инфракрасной и ультрафиолетовой спектроскопии, спектропо-ляриметрии, вискозиметрии, калориметрии, седимента-ционному 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+-ATO-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. бел-нов). 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 гемодинамиче-ских 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, кар-диогенных 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 д р. Биофизика, М., 1983; ВолькенштейнМ. В. Биофизика, М., 1981; Д е щ e р е в-с к и 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 д р. Механика кровообращения, пер. с англ., М., 1981; ЛайтфутЭ. Явления переноса в живых системах, пер. с англ., М., 1977; Левтов В. А., Регире р С. А. и Ш а д р и н a H. X. Реология крови, М., 1982; П о л и щ у к В. И. и T е р е х о в а Л. Г. Техника и методика реографии и реоплетизмографии, М., 1983; Тито мир Л. И. Электрический генератор сердца, М., 1980.

xn--90aw5c.xn--c1avg


Смотрите также

Карта Сайта