Биологическое действие ультразвука

Физические основы взаимодействия ультразвука с биологическими структурами

Ультразвук представляет собой механические колебания высокой частоты (обычно от 20 кГц до нескольких сотен МГц), распространяющиеся в упругих средах. В биологических тканях он вызывает ряд специфических эффектов, обусловленных как механическим воздействием звуковой волны, так и физико-химическими преобразованиями, происходящими на молекулярном и клеточном уровнях. Биологическое действие ультразвука определяется совокупностью тепловых, кавитационных и микромеханических эффектов, каждый из которых зависит от параметров ультразвука, типа ткани и времени воздействия.

Тепловой эффект ультразвука в тканях

При прохождении ультразвуковой волны через биологическую ткань часть её энергии поглощается и преобразуется в тепло. Количество выделяющегося тепла зависит от коэффициента поглощения ткани, частоты ультразвука и интенсивности волны.

Основной вклад в поглощение вносят вязкие и релаксационные потери, а также акустическое затухание на микроструктурах.
Особенно выраженное тепловое действие наблюдается в тканях с высокой плотностью и низкой теплопроводностью (например, кость).
Повышение температуры может приводить к изменению проницаемости мембран, ускорению ферментативных реакций, денатурации белков и нарушению целостности клеток при высокой интенсивности воздействия.

Для медицинских целей, например, в физиотерапии, тепловое воздействие ультразвука используется для локального прогрева тканей, улучшения микроциркуляции и стимуляции метаболизма.

Кавитационные процессы в биосредах

Кавитация — это образование, рост и коллапс пузырьков газа или пара в жидкости под действием переменного звукового давления. В биологических жидкостях кавитация может быть двух типов:

Стабильная кавитация — пузырьки колеблются в объёме, не разрушаясь. Это может вызывать микротоки жидкости (акустическая микроструя), усиливающие транспорт веществ через клеточные мембраны.
Инерционная (или трансзиторная) кавитация — пузырьки быстро коллапсируют, высвобождая энергию, приводящую к локальным скачкам температуры и давления, а также к механическому разрушению близлежащих структур.

Кавитация играет ключевую роль в ультразвуковой терапии высокой интенсивности (HIFU), где она используется для разрушения опухолевых тканей. Однако при неконтролируемом воздействии может вызывать повреждение клеток, разрушение сосудов и деградацию биомолекул.

Механические и микроструйные эффекты

Прохождение ультразвуковых волн сопровождается микромеханическими воздействиями на ткани:

Возникающие градиенты давления вызывают механическую деформацию клеток и внутриклеточных структур.
Микроструйные течения (streaming) возникают вблизи вибрирующих объектов или пузырьков, создавая механическое напряжение на мембранах.
Это приводит к увеличению проницаемости клеточных и субклеточных барьеров, открытию ионных каналов, активации механочувствительных рецепторов.

Эти эффекты широко используются в биотехнологии и медицине: в ультразвуковом введении лекарств, генной трансфекции, стимуляции нейронной активности и прецизионной доставке молекул.

Акустопорация и усиление транспорта веществ

Одним из уникальных эффектов ультразвука является временное увеличение проницаемости клеточных мембран — акустопорация. Она обусловлена как кавитационными процессами, так и локальными механическими напряжениями:

Ультразвук вызывает образование временных пор в липидном бислое клеточной мембраны.
Через эти поры могут проникать макромолекулы, включая нуклеиновые кислоты и белки, что используется в ультразвуковой трансфекции.
Ультразвук также усиливает диффузию и конвективный транспорт в тканях, что критически важно для доставки лекарственных веществ.

Эти свойства делают ультразвук эффективным инструментом для направленного введения фармакологических агентов, в том числе при лечении опухолей и воспалительных заболеваний.

Изменение ионного транспорта и биоэлектрических свойств

Влияние ультразвука на биоэлектрические характеристики клетки связано с его воздействием на ионные каналы и мембранный потенциал:

Высокочастотные колебания могут индуцировать трансмембранные токи за счёт электромеханической активации.
Отмечается стимуляция кальциевых, натриевых и калиевых каналов, особенно в нейронах и кардиомиоцитах.
Ультразвук способен изменять возбудимость тканей, модулируя активность нервных и мышечных волокон.

В связи с этим активно исследуется использование фокусированного ультразвука в нейромодуляции, в том числе в терапии неврологических расстройств, депрессии и эпилепсии.

Молекулярные и клеточные ответы на ультразвук

Ультразвук вызывает широкий спектр клеточных ответов:

Активация сигнальных путей (MAPK, PI3K/Akt, NF-κB) приводит к экспрессии генов, связанных с выживанием, пролиферацией и стресс-ответом.
Стимулируется продукция реактивных форм кислорода (ROS), особенно при кавитации, что может приводить к окислительному стрессу или апоптозу.
Изменяется структура цитоскелета, усиливаются процессы экзоцитоза и эндоцитоза.

Эти эффекты критически зависят от режима воздействия — низкоинтенсивный ультразвук может вызывать обратимые и адаптивные изменения, в то время как высокоинтенсивный — приводит к повреждению и гибели клеток.

Применение ультразвука в биофизических и медицинских технологиях

Использование ультразвука охватывает широкий спектр направлений:

Диагностика (УЗИ) — визуализация тканей и органов, основанная на отражении ультразвуковых волн от границ с различной акустической импедансой.
Терапия — от локального прогрева до разрушения опухолей (высокоинтенсивный фокусированный ультразвук, HIFU).
Ультразвуковая хирургия — минимально инвазивные процедуры на основе кавитации и точечного нагрева.
Таргетная доставка лекарств — использование липосом или микропузырьков, разрушающихся под действием ультразвука.
Ультразвуковая стимуляция мозга и тканей — перспективный метод безэлектродной нейромодуляции.

Таким образом, ультразвук в биофизике рассматривается как мощный физический агент, обладающий как диагностическим, так и терапевтическим потенциалом, с возможностью точного пространственного и временного управления биологическими процессами.