Электромагнитные поля в медицине

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ В МЕДИЦИНЕ

Ихлов Б. Л.
boris.ikhlov@gmail.com

Электромагнитное излучение широко применяется в врачебной практике. Однако существует слабо исследованная область его воздействия на ДНК патогенных микроорганизмов или на ДНК клеток опухолевых тканей.

Сверхвысокие частоты
Помимо ультрафиолетового и инфракрасного спектра, ДНК обладает собственными модами в СВЧ-спектре. Впервые излучение возбужденными молекулами ДНК электромагнитного поля было обнаружено группой Франк-Каменецкого в 1979 году. Определили, что это электромагнитное поле имеет сверхвысокую частоту (ГГц) и связали излучение с крутильными колебаниями спирали ДНК [1].
В [2] было высказано и доказано предположение, что если молекула ДНК способна излучать, то она также способна и поглощать микроволны, приходя в возбужденное состояние.
Если есть частота изучения, должна быть и равная ей частота поглощения. Эта частота должна быть пропорциональна частоте крутильных колебаний пружинного маятника. То есть, является функцией от длины спирали ДНК.
1) В [3] обнаружено, что различные СВЧ снижают выживаемость E. coli  her’ ехг’ до 50%, была найдена зависимость выживаемости от времени облучения.
2) В [4] произведен перерасчет этой зависимости на зависимость от частоты. Найдено, что кривая зависимости имеет резонансный характер, определена резонансная частота.
С помощью лагранжева формализма определена частота крутильных колебаний спирали любых ДНК:
f = 21,75/sqrt(BP) ТГц    (1)
BP – число пар нуклеотидов. Жесткость спирали ДНК получается вследствие компактизации ДНК.
Коэффициент в формуле рассчитан подстановкой в формулу полученной резонансной частоты и числа пар нуклеотидов ДНК E. coli her’ ехг’ и отражает интегральным образом жесткость спирали ДНК, ее упаковку, взаимодействие со средой и прочие факторы.
3) С помощью формулы определена резонансная частота для ДНК другого штамма E. coli, АТСС 25922, чья ДНК содержит 5 130 767  пар нуклеотидов.
Для облучения использовался СВЧ генератор типа Agilent Technologies E82570 1, создающий гармонические поляризованные колебания, и усилитель той же марки. Опытный и контрольный штаммы изолировались от воздействия дневного света. Бактериальные культуры помещались в физраствор, плотность потока мощности – 2,5 мВт/см2 . Время экспозиции – 3 часа. Облучение расчетной частотой 9,6 ГГц (но никакой другой) привело к резкому снижению выживаемости до 20%.

4) Был произведен расчет резонансной частоты ДНК микобактерий M. Avium 104, смертельных для ВИЧ-инфицированных. Облучение в том же режиме данных микобактерий расчетной частотой полностью их уничтожило. Время экспозиции – 6 часов.
5) Был произведен расчет резонансной частоты для Mycobacterium tuberculosis H37Rv. Использовался метод предельных разведений. Культивирование производилось на яичной среде Финна II. Время экспозиции – 104 часа. Облучение на расчетной частоте 10,36 ГГц снизило выживаемость бактерии тысячекратно [5].
6) Проведен прямой эксперимент по поглощению СВЧ ЭМП молекулами ДНК. Облучена культура E. coli M17, обнаружено поглощение на расчетной частоте 10,27 ГГц [6].

Таким образом, показано, что: 1) Молекула ДНК действительно поглощает СВЧ ЭМП резонансным образом. 2) С помощью СВЧ ЭМП можно угнетать или уничтожать различные клетки.

Низкие частоты
Могут ли низкие частоты воздействовать не какие-либо фрагменты живой клетки?
К примеру, вращательные спектры молекул воды – это инфракрасный диапазон, 50 мкм.
Колебательные (Н-Н, Н-О) переходы – это тоже ИК-спектр, 3 мкм.
Электронные переходы, при которых молекула переходит в возбужденное электронное состояние; самый низкоэнергетический переход такого типа находится в области УФ.
И, разумеется, вода, как любое другое нагретое вещество (тело), излучает в ИК-диапазоне, интенсивность излучения в зависимости от его температуры описывается законом Стефана — Больцмана.
В СВЧ диапазоне у воды есть единственная частота 2,45 ГГц, это колебания не молекул воды, а кластеров молекул.
Вращательные колебания крупных молекулярных диполей - миллиметры, 102   ГГц. Это квантовый эффект.
Крутильные колебания ДНК - это сантиметры, гигагерцы. Это классический эффект.
Длина волны излучения должна быть сравнима по порядку величины с размерами приемника. Например, если морская волна набегает на маленький камень, она его не замечает.
Длина волны излучения в диапазоне килогерц - это километры. В человеке нет объектов величиной с километр.

Но обычное переменное электрическое поле способно воздействовать на ионы и те молекулы в живой клетке, которые обладают дипольным моментом. Диполи вращаются и передвигаются вдоль поля.
Молекулярные диполи колеблются во внешнем переменном электрическом поле. Это колебательный, но не волновой эффект. Роль возвращающей силы играет не столько молекулярное окружение, которое просто гасит колебания, а само электрическое поле.

Внесем диполь в однородное внешнее электрическое поле с напряженностью Е. На заряды диполя будут действовать силы F1 = F2 = qE . Разложим их на составляющие F12, F13 и F22, F23  вдоль диполя и перпендикулярно диполю. (см.рис.1.22). Cоставляющие F13 и F23 стремятся растянуть диполь, а составляющие F12 и F22 создают вращающие моменты и поворачивают диполь до тех пор, пока он не расположится вдоль силовой линии.

В неоднородном электрическом поле на положительный и отрицательный заряды диполя будут действовать неодинаковые силы (на рис. 1.23. F2 > F1). Найдем выражение для силы, действующей на диполь для случая, когда напряженность зависит только от одной переменной х. Пусть поле характеризуется градиентом dE/dx. Найдем результирующую силу F = F2 - F1. 
Момент силы стремится повернуть диполь так, чтобы его дипольный момент оказался направлен вдоль линий электрического поля. Это положение наиболее устойчивое, так как в этом случае потенциальная энергия диполя в поле минимальна.
Если диполь изначально расположен под углом к полю, то момент силы заставляет его вращаться до тех пор, пока p и E не станут параллельны.

Вращение диполя в переменном электрическом поле описывается уравнением движения:
Ja + M = 0
F ~ Mgrad(E)      (2)
a – вторая производная по времени от угла поворота диполя, J  - момент инерции диполя, M – дипольный момент,   F – сила,  E – напряженность поля.
Т.е. скорость вращения зависит от начального положения диполя, дипольного момента и характеристик поля.
В неоднородном поле диполь также может испытывать результирующую силу, которая перемещает его в сторону большей напряжённости поля.
На мгновенную ориентацию диполей влияет частота электрического поля. При низких частотах диполи успевают ориентироваться вслед за полем.
При повышении частоты полярные молекулы начинают отставать от поля, так как частота электрического поля становится больше частоты тепловых колебаний молекул, и диполи не успевают ориентироваться при сменах полярности приложенного напряжения. Угол поворота диполей уменьшается с ростом частоты поля.
На высоких частотах скорость ориентации диполей настолько уменьшается, что вклад дипольно-релаксационной поляризации становится близким к нулю.
Легко видеть, что уравнение продольного движения диполя без стандартной возвращающей силы дает колебания с частотой электрического поля.

В стандартном подходе используется модель диэлектрической релаксации Дебая и её расширения для сложных сред. Более современные подходы используют методы молекулярной динамики. В [7, 8] изложено моделирование, как приложенное поле влияет на ориентацию дипольных групп белка, его стабильность и динамику.

Применение полей низкой частоты в онкологии
Tumor Treating Fields (TTFields) - это одобренная FDA терапия для определенных видов рака мозга  (глиобластомы) [9]. Она использует электрические поля, фокусируемые на области опухоли, чтобы нарушить деление раковых клеток. Этот метод не предполагает воздействия поля на весь организм. В TTFields используют 100-300 кГц.
Молекулярный механизм до конца не ясен, основные гипотезы включают воздействие на высокодипольные белки веретена деления (тубулин) и на другие дипольные макромолекулы, критичные для деления клетки.
Имеются в виду микротрубочки, которые могут достигать 50 мкм, ширины от 23 до 27 нм и иметь внутренний диаметр от 11 до 15 нм. Они образуются путем полимеризации димера двух глобулярных белков, альфа- и бета-тубулина. Тубулин нейтрален, но  обладает дипольным моментом.
Когда клетка готовится к делению, она формирует структуру, называемую веретеном деления, состоящую из микротрубочек.
Электрическое поле смещает и нарушает ориентацию микротрубочек. В результате клетка не может правильно разделиться. Это приводит к остановке клеточного цикла и, в конечном итоге, к апоптозу опухолевой клетки. На нормальные, медленно делящиеся клетки воздействие гораздо слабее.
При диэлектрофорезе (ДЭФ) диполь совершает колебательно-вращательные движения, т.к. на него действует неоднородное (переменное) электрическое поле.
ДЭФ растаскивает строительные блоки веретена, мешая его правильному формированию.
ДЭФ может дифференцировать раковые и нераковые клеточные линии из одной и той же ткани (например, молочной железы, простаты, лёгкого, крови). Изменённая структура мембраны и внутреннего состава раковых клеток приводит к измеримо иному отклику на ДЭФ.

Действие низких частот на вирус герпеса
Есть пять типов вируса герпеса, напр., у одного длина ДНК - 152 261 пар нуклеотидов (1-й тип), у другого - 154 746 пар (2-й тип) и т.д.
Сам по себе капсид вируса не является диполем, как не является диполем и ДНК герпеса. Но сама ДНК состоит из диполей А-Т и Г-Ц. Таким образом. возможны два отклика ДНК герпеса на низкочастотное поле: 1) не крутильные колебания, но дрожание спирали ДНК как целого, 2) продольные колебания спирали ДНК.
Вращение диполей в электрическом поле описано выше, что же касается продольных колебаний,

Частота колебаний обеих цепей ДНК (одновременное сжатие-растяжение обеих цепей) пропорциональна (2k/M)1/2, где k - коэффициент жесткости, M - масса ДНК. Оценки показывают, что частоты продольных колебаний на два порядка ниже. Нетрудно получить приблизительный коэффициент жесткости N/m и приблизительную резонансную частоту для модели с 35 парами нуклеотидов – 4 ГГц. Можно рассчитать жесткость для ДНК любой длины по формуле ki = kl/li . Обозначим количество пар нуклеотидов в модели N0, жесткость – k0. Общая формула
f(i) = sqrt[k(0)N(0)/2m(0)]/3,14N(i)    (3)
     где m0 - средняя масса пары оснований ДНК, Ni - количество пар оснований для i-го типа ДНК.
Для спирали с 500 парами нуклеотидов частота продольных колебаний – 1 ГГц, Для E. coli с длиной цепи 5 млн пар оснований резонансная частота продольных колебаний  согласно (3) будет составлять около 104 Гц, для ДНК лимфоцитов (104 п.н.) она соответствует диапазону мегагерц, 106 . Соответственно, для вируса герпеса она составит величину порядка 105 Гц, т.е. сотни килогерц.
Таким образом, низкочастотные колебания могут возбуждать продольные колебания спиралей ДНК герпеса.
Что касается спиральных колебаний ДНК герпеса, их диапазон согласно (1) с учетом длины спирали – порядка 50 ГГц. Используя кратные частоты (см. [10-12]), можно понизить применяемый диапазон до области килогерц.
Исследовался герпес 2-го типа (ВПГ, HSV-2). Собственная частота крутильных колебаний – примерно 80 ГГц. Кратная частота электромагнитного излучения – 157,789 кГц.
Кратность – 500118.
Исследовались 20 проб, 10 облучаемых, 10 контрольных.
Плотность потока мощности генератора – 2,5 мВт/см2 .
Контрольный пробы располагались рядом с генератором, но не в зоне облучения.
Температура – 23 градуса.
ПЦР-тест 10 контрольных проб да положительный результат, ПЦР-тест 10 облучаемых проб дал отрицательный результат.
Аким образом, есть вероятность, что электромагнитное поле в диапазоне килогерц может вызывать крутильные колебания ДНК вирусов, что приводит к их деструкции.

Действе сверхвысоких частот на опухолевые клетки
Метод воздействия СВЧ на ДНК опухолевых клеток успешно опробован на лабораторных аутбредных крысах с фиброаденомой молочной железы.
Использовались 34 лабораторные крысы. Крысы помещались в прозрачные пластиковые контейнеры 7 см х 7 см х 20 см. Чтобы изолировать крыс от дневного света, использовалась черная бумага, не содержащая тяжелых металлов.
Контейнеры устанавливались в безэховой камере в области максимальной плотности потока мощности излучения.
Поскольку ДНК клеток организма крыс значительно длиннее, чем ДНК бактерий, то частота, соответственно, в несколько раз ниже, поэтому требуется другой генератор.
Один контейнер облучался электромагнитным полем с частотой 2,87 ГГц, рассчитанной по формуле (1).
Другой контейнер, контрольный, облучался с произвольной частотой 3 ГГц.
Температура – 23 град.
В качестве источника излучения был использован сверхвысокочастотный генератор DSG830 Rigol и усилитель Agilent Technologies E82570 1.
Плотность потока мощности вблизи контейнера с крысой - 2 мВт/см2.

На генераторе устанавливалась частота 2,87 ГГц (близко к собственной частоте крутильных колебаний спирали ДНК 14-й хромосомы). Суточное время экспозиции - 14 часов. Количество суток – 10 дней.
Отбирались крысы с примерно одинаковым размером опухолей. 
У 17-ти подопытных крыс обнаружено уменьшение опухоли с 1,5 см до примерно 0,7 см и рассасывание опухолей размером менее 0,6 см.
У 17-ти контрольных крыс (облучение ЭМП с частотой 3 ГГц) изменений размеров опухолей не наблюдалось.

Клетки опухоли мутируют т.е. их ДНК меняет длину. Поэтому для определения частоты использовалась как формула (1), так и ряд экспериментов на 4-х крысах для уточнения. У одной из крыс опухоль уменьшилась в размерах при частоте 2,87 ГГц. Поскольку число крыс для уточнения формулы мало, был определенный риск, однако эксперимент казался успешным.
То есть, эффект есть на расчетной частоте, на другой близко расположенной частоте при тех же прочих условиях эффект отсутствует.
Таким образом, можно предположить, что СВЧ волны уничтожали ДНК клеток опухоли.

Заключение
Таким образом, электромагнитное поле может успешно применяться в медицине в весьма широком диапазоне, воздействуя на геном вирусов, патогенных бактерий  и на  ДНК опухолевых клеток.

Литература
1. Аншелевич В. В., Вологодский А. В., Лукашин А. В., Франк-Каменецкий М. Д., «Определение амплитуды флуктуаций двойной спирали ДНК», 1979. Цит. по кн. М. Д. Франк-Каменецкий, «Самая главная молекула», М., «Наука», Глав. ред. физ.- мат. лит., 1983, с. 140.
2. 5. Ихлов Б.Л. и др. Резонансное поглощение сверхвысокочастотного электромагнитного поля молекулами ДНК. Современные проблемы науки и образования. 2016. №6 http://www.science-education.ru/article/view?id=25910 (дата обращения: 20.2.2022)
3. Козьмин Г. В., Егорова В. И. Устойчивость биоценозов в условиях изменяющихся электромагнитных свойств биосферы. Биомед. технологии и радиоэлектроника, 2006, №3, с. 61-72. См. также: Т.В. Чиж, Г.В. Козьмин, Л.П. Полякова, Т.В. Мельникова. Радиационная обработка как технологический прием в целях повышения уровня продовольственной безопасности. Вестник РАЕН, 2011/4, с. 44-49.
4. Ихлов Б.Л. и др. Действие сверхвысокочастотного электромагнитного поля на микроорганизмы. Вестник новых медицинских технологий. 2017. Т.24, №2. С. 141-146.
5. Б. Л. Ихлов, А. А. Шурыгин, В. А. Дробкова. Возможность бактерицидного действия на штаммы M. Avium Mycobacterium и Tubercu;osis. Туберкулез и болезни легких. 2019. Т. 97. №1. С. 25-27. https://doi.org/10.21292/2075-1230-2019-97-1-25-27 ; https://www.tibl-journal.com/jour/article/view/1216
B. L. Ikhlov etc. Potential bactericidal action of the UNF on the strains of M. Avium Mycobacterium and Tubercu;osis. DOI:10.21292/2075-1230-2019-97-1-25-27

6. Ихлов Б.Л. и др. Резонансное поглощение микроволн молекулами ДНК. Радиационная биология. Радиоэкология. 2022, том 62, № 6, с. 628–632
7. T. Xia et al. "Molecular dynamics study of the influence of an external electric field on the protein lysozyme" (2017).
8. Yun Xie et al. "Effects of external electric fields on lysozyme adsorption by molecular dynamics simulations".
9. M. Kirson et al. "Disruption of cancer cell replication by alternating electric fields" (Cancer Research, 2004).
10. Ikhlov B. L. On the effect of millimeter waves on DNA and RNA of viruses. International Journal of Clinical Virology. July 18, 2022, 6, 29-33. DOI: 10.29328/journal.ijcv.1001046.
11. Ikhlov B. L, Tregubova I. E., Ratkin L. S. Torsional Vibrations of DNA and RNA. International Journal of Research in Virology. V. 1. Iss. 1. 10.3.2924. P. 1-5.
12. Boris L. Ikhlov. Resonant Absorption of Microwaves by Macromolecules. Open Access Library Journal. Vol. 9 No.3, March 2022. ID 1108489 DOI: 10.4236/oalib.1108489

Дополнительная литература
1. Ихлов Б. Л., Неинвазивный способ подавления роста опухолевых тканей и их омертвления. Заявка № 2016147095 от 30.11.2016. Положительное решение от 03.09.2018. Патент №2665621
2. Ихлов Б. Л., Евсеев А. В, Мельниченко А. В., Ощепков А. Ю. Метод прерывания митоза опухолевых клеток в конечной стадии интерфазы. Сборник статей VIII международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине», 20-22 мая 2015 года, Санкт-Петербург, с. 48-55. ISBN 978-5-7422-4882-8.