Внеклеточный нагрев и мембранотропные эффекты

Диапазон бета-дисперсии на графике частотной зависимости диэлектрической проницаемости биологической ткани
Диэлектрическая проницаемость тканей снижается по мере роста частоты, при этом на графике выделяется два основных участка отклонения диэлектрической проницаемости от линейной зависимости — т.н. участки дисперсии, именуемые, по мере роста частоты, участками альфа- и бета- дисперсии. Феномен бета-дисперсии в диапазоне радиочастот 105−108 Гц обусловлен экранированием электромагнитного излучения мембранным потенциалом клеток[п. 3]. Вследствие этого излучение указанного частотного диапазона распространяется преимущественно по межклеточной жидкости, нагревая её посредством диэлектрической релаксации (ионной и дипольной)[п. 4] В результате формируется трансмембранный температурный градиент, который при онкотермии составляет 0,01-0,001 К/нм[53].

Температурный градиент приводит к возникновению термодиффузии[57], многокомпонентного процесса, результирующей которого является входящий ионный ток Na+. В норме ток Na+ с абсолютной величиной ~12 пА/нм2 направлен из клетки (исходящий). При онкотермическом воздействии меняется направление тока (входящий), а его величина возрастает до ~150 пА/нм2, следствием чего является деполяризация клеточной мембраны — снижение мембранного потенциала на 10-30% (~20 мВ); одновременно повышается внутриклеточное давление (до ~1.3 мПа)[53], поскольку Na+, как осмотически активный катион, увлекает за собой воду, что приводит к набуханию клеток, выпрямлению клеточной мембраны и нарушению функции мембран-связанных ферментов. Снижение мембранного потенциала приводит к значительному снижению потенциала пробоя и развитию радиочастотной электропорации[58], связанной с образованием большого количества мелких, короткоживущих мембранных пор, и повышению мембранной проницаемости. Повышение мембранной проницаемости, с одной стороны, приводит к возникновению входящего тока Ca2+, запускающего, посредством активации Ca2+-зависимых протеинкиназ, ряд процессов, приводящих к развитию внутриклеточного повреждения, а также к экспрессии на наружной поверхности клеточной мембраны внутриклеточных макромолекул — триггеров апоптоза, прежде всего белков теплового шока (HSP) и белка p53. Выраженная дестабилизация мембран в сочетании со внутриклеточным Ca2+-зависимым повреждением может приводить к разрушению мембраны и гибели клетки (некроз). Выход внутриклеточных макромолекул в межклеточное пространство стимулирует противоопухолевый иммунитет и обеспечивает абскопальный эффект онкотермии.

Фрактальная модуляция
В технологии онкотермии используется специальная фрактальная модуляция несущей частоты.

Наличие многочисленных опухоль-специфических резонансных частот в диапазоне от 0 до 100 кГц, способных селективно подавлять пролиферацию опухолей подтверждено экспериментально[59][60][61], однако попытки модулировать радиочастотное излучение дискретными частотами[62] могут быть затруднительными в связи с тем, что частотный спектр у каждого типа опухоли и каждого пациента уникален[59][61].

В технологии онкотермии используется решение на основе т. н. «стохастического резонанса» — известного феномена манифестации подпороговых сигналов при наложении фонового шума. Такой шум с определённым спектром и интенсивностью служит одновременно усилителем для сильных сигналов и фильтром для слабых, и способен неспецифически усиливать значимые резонансные частоты, и одновременно подавлять незначимые. Использование частотного диапазона модуляции 0-5 кГц обусловлено тем, что в этом диапазоне находятся наиболее важные «клеточные» резонансные частоты.

В технологии онкотермии для модуляции используется т. н. «розовый шум», интенсивность которого убывает пропорционально росту частоты (1/f). «Розовый шум» является фундаментальной характеристикой живых систем, отражающей их фрактальную организацию[18] ("фрактальный шум"). Поскольку злокачественные ткани утрачивают упорядоченность и организацию, свойственную здоровым тканям, и имеют в целом хаотическую структуру, они эмитируют преимущественно т. н. «красный» или «броуновский» шум с иной спектральной характеристикой (1/f2)[63] . Вследствие этого удельное поглощение энергии (SAR) модулированного «розовым» шумом радиочастотного электрического поля в опухолевых участках со спектральной характеристикой «броуновского» шума выше, чем в «розовошумных» нормальных тканях (подобно тому, как поляризованный свет не поглощается в средах, направление поляризации которых совпадает с его вектором поляризации, но частично или полностью поглощается в средах с другими направлениями вектора поляризации).

Также, воздействие шума на диссипативные системы приводит к возникновению пространственной упорядоченности на клеточном и субклеточном уровне[23][25][64]. Поскольку хаотическая дезорганизация является неотъемлемым признаком малигнизации, восстановление упорядоченности препятствует её развитию.

Таким образом, фрактальная модуляция, используемая в технологии онкотермии, позволяет усиливать резонансные частоты для подавления роста опухолей, создаёт пространственную упорядоченность, препятствующую малигнизации, а также усиливает поглощение энергии электрического поля тканями опухоли, что является дополнительным механизмом селективности[⇨] онкотермии.

Восстановление межклеточных соединений
Поскольку в диапазоне бета-дисперсии силовые линии поля в тканях, ввиду их экранирования мембранным потенциалом, распределены неравномерно и концентрируются в узких межклеточных промежутках, в них формируется высокий градиент поля, порождающий значительные пондеромоторные силы, вызывающие ориентировочный эффект — упорядочение пространственной ориентации дипольных молекул, в основном белков, вдоль силовых линий поля, — и способствующие восстановлению межклеточных контактов — адгезивных соединений и щелевых контактов[53]. Восстановление межклеточных контактов восстанавливает межклеточную контактную коммуникацию и пути передачи "социальных" межклеточных сигналов, в частности, сигналов апоптоза[65].

Экспериментальные данные, полученные на ксенотрансплантатах опухолей in vivo, подтверждают достоверное и значительное повышение содержания компонентов межклеточных соединений — Е-кадгерина, бета-катенина и коннексина, — после онкотермического воздействия, в сравнении как с нелеченым контролем, так и с температурной гипертермией[53].

Нетемпературозависимость эффекта
Количественная оценка нетермозависимых эффектов онкотермии
В эксперименте in vivo на голых мышах сравнивалась эффективность гипертермии и онкотермии против контрлатерального нелеченого контроля на ксенотрансплантате человеческой колоректальной карциномы HT29.

Температурозависимый прирост клеточного повреждения (определяемого гистологически по доле нежизнеспособных тканей (без различия некроза и апоптоза) после специального окрашивания максимальных поперечных срезов опухолей, иссечённых через 24 ч после воздействия) вследствие повышения температуры на 4 °C (38-42 °C) составил 11,5 % (11.2-11.8 %), тогда как нетемпературозависимые (полевые) эффекты обеспечили прирост на 39,5 % (39.2-39.8 %). Таким образом, эффективность нетемпературозависимых эффектов в развитии клеточного повреждения при онкотермии в 3.5 раза превышает эффективность собственно температуры[66]. Результат был воспроизведён на ксенотрансплантатах человеческой эпидермальной карциномы A431 и модели мышиной глиобластомы GL261[53].

С термодинамической точки зрения, основная часть энергии внешнего поля (50-75%) при онкотермии преобразуется в работу по дестабилизации мембран через механизмы термодиффузии, поддерживаемые трансмембранным температурным градиентом на наноуровне[п. 5][54]. Работа этой "мембранной машины" определяется мощностью поля и не зависит от макроскопической температуры. Мембранотропный эффект онкотермии, таким образом, является термоиндуцированным, но не температурозависимым[46]. Необходимым условием его реализации является наличие трансмембранного температурного градиента, который может существовать только в неравновесном состоянии (фаза нагрева). Когда макроскопическая температура достигает порога токсичности (~42 °C), определяемого началом повреждения здоровых тканей (что определяет невозможность дальнейшего повышения мощности поля), наступает стадия термодинамического равновесия (фаза "плато"), при которой значимые различия между температурой внеклеточной и внутриклеточной сред отсутствуют и нетермические эффекты минимизируются (классическая гипертермия). Таким образом, равновесное состояние (максимальная макроскопическая температура) подавляет нетермические эффекты.

Стимуляция апоптоза
Особенностью онкотермического воздействия является преимущественно апоптотический характер клеточного повреждения[67], в отличие от гипертермии, обладающей преимущественно некротическим эффектом. Апоптотический эффект онкотермии обуславливает низкую токсичность и отсроченный характер эффекта: в эксперименте in vivo показано, что повреждение ткани опухоли после однократной процедуры онкотермии прогредиентно нарастает в течение 72 часов[53].

Основную роль в активации апоптоза при онкотермии играют внеклеточная экспрессия внутриклеточных макромолекул, преимущественно белков теплового шока (HSP) и белка p53[68], вследствие повышения мембранной проницаемости[⇨]; восстановление межклеточной коммуникации[⇨] и контактных путей передачи сигналов апоптоза вследствие ориентировочного эффекта электрического поля (сходные эффекты показаны при использовании излучения низкочастотного диапазона[69]); гиперэкспрессия бета-катенина, которая сама по себе способна стимулировать апоптоз (медиатор апоптоза) [70][71], а также создание пространственной упорядоченности под действием «шумовой» модуляции[⇨].

В эксперименте in vivo показано развитие апоптотической реакции у иммунодефицитных мышей[72] и высокая системная иммуногенность апоптотической реакции при онкотермии[73].

Концепция мулитилокальной онкотермии впервые реализована в системе EHY3010 ML. Основной инновацией является применение гибких, «тканых» электродов, сотканных из полиметаллических нитей, каждая из которых имеет индивидуальную изоляцию[136]. Каждая нить является отдельной антенной, индивидуально сопряжённой с противоэлектродом. В результате формируется сложная система полей, оптимально адаптированная к форме поверхности и электрическим свойствам участка ткани.
В классическом моноэлектроде (EHY2000) между электродом и объектом воздействия существует большое количество препятствий (мембраны, изоляторы, контактная жидкость), поглощающих значительную часть энергии. Ввиду того, что тканые электроды не требуют охлаждения и контактного болюса, и электрод непосредственно контактирует с телом пациента, потери энергии значительно снижаются, и эффективность электрода повышается в 5-10 раз. Специфические особенности тканых электродов — в частности, индивидуальная автонастройка каждой «антенны», — обеспечивает автоматическую оптимизацию воздействия на каждую опухоль, группу клеток или индивидуальную опухолевую клетку.
Применяются как электроды стандартного размера, так и индивидуально изготовленные электроды, размер которых может составлять до 50х100 см, что позволяет воздействовать на все тело. Ввиду минимального кожного сопротивления вследствие отсутствия охлаждения[137] и высокой селективности воздействия используется низкая мощность (<0,5 Вт/см2), гарантирующая безопасность воздействия.

Мембранотропный механизм действия онкотермии обеспечивает высокую селективность воздействия на микроуровне, вплоть до единичных клеток, основанную на различии мембранного потенциала доброкачественных (-70 — −90 мВ) и злокачественных (-40 — −60 мВ) клеток. Поскольку поддержание мембранного потенциала является основной частью энергозатрат клетки в покое, злокачественные клетки с низкоэффективным, преимущественно анаэробным метаболизмом, не в состоянии поддерживать высокий мембранный потенциал. В результате, при воздействии переменного высокочастотного электрического поля на здоровые клетки, их мембранный потенциал снижается незначительно, тогда как снижение мембранного потенциала злокачественных клеток может превышать 20 мВ, и приводит к выраженной дестабилизации мембран, вплоть до их разрушения. Многочисленные механизмы электромагнитного подавления клеточной пролиферации также эффективны на клеточном уровне.