Електрохімічні технології в медицині






    Головна сторінка





Скачати 20.54 Kb.
Дата конвертації11.10.2018
Розмір20.54 Kb.
Типконтрольна робота

Міністерство Освіти і Науки РФ

Казанський Государстівенний Технологічний Університет

Кафедра Технології електрохімічних виробництв

Контрольна робота

на тему:

Електрохімічні технології в медицині

Казань 2008


зміст:

Вступ

1. Застосування електрохімії при детоксикації та створенні штучних органів

2. електрохімічного окислення В МОДЕЛЮВАННІ ФУНКЦІЇ монооксигенази ПЕЧІНКИ

ВИСНОВОК

Список використаної літератури


Вступ

Виникнення електрохімії пов'язано з ім'ям італійського анатома і фізілогоа Луїджі Гальвані, що опублікував в 1971 році «Трактат про сили електрики при м'язовому русі». Ця робота викликала основний інтерес, як не дивно, не у фізиків і хіміків, а у медиків. Фізіологи вважали, що нарешті вдалося проникнути в таємницю життя, яка полягає в електриці, і тому, використовуючи електрику, можна буде лікувати різні хвороби.

Однак в подальшому при своєму розвитку електрохімія все далі і далі йшла від живої природи, від так званого «живого електрики» Гальвані. Швидко розвивалися такі галузі електрохімії, як гальванотехніка, електрохімічні методи отримання різних речовин, виділення і рафінування металів, електрохімічні первинні джерела струму і акумулятори, паливні елементи і електрокаталіз, електросинтез органічних сполук, теорія корозії і захисту металів.

Проте, в роки становлення і розквіту електрохімії як науки майкл Фарадей відзначав: «Як не чудестно закони і явища електрики, що виявляють нам в світі неорганічного або мертвого речовини, інтерес, який вони представляють, навряд чи може зрівнятися з тим, що притаманне тієї ж силі в з'єднанні з нервовою системою і життям ». Чудові можливості електрохімії в неживому світі несопостовіми з можливостями електрохімії в пізнанні живого. Повернення ж електрохімії до своїх витоків відбулося тільки в останні десятиліття. На стику електрохімії і біології отримало розвиток новий науковий напрям - біоелектрохімія, яка вивчає електрохімічні механізми процесів, що протікають в живій клітині. Ці дослідження привели до висновку, що електрохімія має фундаментальне значення для розвитку біології. Коло вивчених біологічних систем, при дослідженні яких не можна обійтися без електрохімічних методів і підходів, швидко розширюється. Аналіз роботи різних біологічних систем показує, що вони засновані на електрохімічних принципах. Електрохімічний принцип лежить в основі більшості процесів життєдіяльності організмів. Це універсальний принцип живої природи.

Одночасно з розвитком біоелектрохіміі почалися дослідження на стику електрохімії і медицини. Перші роботи були стимульовані космічними програмами і були пов'язані зі створенням регенеративних систем життєзабезпечення. Ці роботи інтенсивно розвивалися і в СРСР, вони привели до створення цілого ряду регенеративних систем життєзабезпечення, заснованих на електрохімічних і електрокаталітичні принципах, які в даний час забезпечують тривалу роботу космонавтів. Завдяки цілому ряду переваг (відсутність екологічного та теплового забруднення, робота при звичайних температурах, простота і легкість автоматизації та ін.) Електрохімічні і електрокаталітичні підходи будуть визначати все розвиток повністю і частково замкнутих систем життєзабезпечення на космічних кораблях для польотів до інших планет, на орбітальних космічних станція і на планетних станціях в найближчі десятиліття.


1. Застосування електрохімії при детоксикації та створенні штучних органів

Моделювання роботи різних органів і систем організму - одне з найважливіших завдань сучасної медичної науки. Пошуки в цьому напрямку ведуться давно і отримані хороші результати при створенні таких штучних органів, як серце, нирки і легені. Програма зі створення штучного серця сильно стимулювала роботи по електроокислення глюкози і по розробці імплантуються паливних елементів, що працюють на розчинених в крові пацієнта глюкози і кисню, і глюкозних датчиків для визначення концентрації цукру в крові. Імплантуються паливні елементи, в яких в якості палива використовуються складові ультрафильтрата крові (глюкоза, глюкозамін, якщо використовуються ферменти, що руйнують полісахариди), можуть являти собою ідеальні постійні джерела енергії для допоміжних або контролюючих приладів, стежать за станом здоров'я пацієнта. Такі паливні елементи в невеликих установках можуть сужіть джерелом енергії для серцевих рітмоводітеля, ниркових стимуляторів, автоматичних дозаторів інсуліну і аналогічних приладів.

В даний час можливим способом вирішення однієї з проблем медицини - діабет - є створення штучної підшлункової залози з імплантованого глюкозним датчиком, який повинен давати сигнал про зміст цукру в крові пацієнта і включати дозатор інсуліну.

Найбільші труднощі зустрічаються при імітації роботи печінки, що пов'язано з великою різноманітністю її функцій і недостатністю відомостей про механізми порушення її діяльності. З усіх функцій печінки - детокс-цірующая є найбільш важливою, вітальної, при її порушенні настає швидка загибель організму. Детоксикационная функція печінки є не тільки вітальної, але і незамінною, так як ніяка інша система в організмі не може компенсувати її втрату.

В даний час стало ясно, що одним з основних аспектів глобальної екологічної проблеми є охорона внутрішнього середовища людини, дієвий контроль за її станом. У здорової людини ця функція, в значній мірі, здійснюється монооксигеназної системою печінки, сприяє видаленню з організму гідрофобних токсичних речовин, шляхом їх гідроксилюється окислення молекулярним киснем, що каталізує спеціальним детоксицирующим ферментом - цитохромом Р-450.

Фермент Р-450 можна вважати основною детоксикаційної системою печінки. Однак цей фермент працює не сам по собі, а в складі окислювально-відновної ферментної ланцюга, що поставляє на нього електрони, необхідні для активації молекулярного кисню. Гідроксилюється ферментні системи, що використовують в якості окислювача молекулярний кисень, вимагає для свого функціонування піридиннуклеотидів НАДФН і НАДН. У загальному вигляді реакція окислення з участю монооксіленаз печінки може бути записана так:

RН + НАДФН + Н + + О 2 → RОН + НАДФ + + Н 2 О.

Біологічний сенс реакції полягає втому, що окислене з'єднання завжди краще розчиняється у воді і тому може бути легше, ніж вихідна речовина, залучено в інші метаболічні перетворення або виділено з організму екськреторнимі органами. Таким чином, гідрофобні ксенобіотики не можуть бути видалені органами виділення, поки вони не піддадуться біотрансформації і не стануть гідрофільними.

Найпростіший детоксикуючий цикл може бути здійснений принципово тільки двома биомолекулами - альбуміном і цитохромом Р-450. Перша виконує транспортну роль, друга-окислительную.

Велика увага біологів і медиків привертає проблема створення штучних систем, здатних моделювати детоксицирующие функції печінки. Це обумовлено тим, що існуючі методи екстракорпоральної детоксикації (гемодіаліз і пемосорбція) мають недостатньою ефективністю з видалення гідрофобних токсинів.

До сих пір не вирішено остаточно питання про механізм активації молекулярного кисню цитохром Р-450 і невідома природа і будова гідроксилюється агента, однак це не може бути перешкодою для пошуку простих каталітичних і електрохімічних систем, здатних замінити унікальний гемопротеидов, цитохром Р-450, і створити процеси окислення, які не поступаються за своєю ефективністю і селективності ферментним.

В останні десятиліття в зв'язку з проблемою паливних елементів електрохімією досягнуті великі успіхи в активації молекулярного кисню і в окисленні різних органічних речовин. Крім того, аналіз роботи біологічних систем показує, що вони засновані на електрохімічних принципах. Тому електрохімічні методи моделювання гідроксилазних реакцій, що протікають в мікросомах печінки, зважаючи на свою физиологичности привертають особливу увагу.

Вперше ідея моделювання детоксикаційної функції печінки за допомогою електрохімічного окислення була розвинена в 1975 р Автори роботи запропонували видаляти надлишок токсичних речовин, таких як аміак, сечовина, сечова кислота, лікарські глікозиди, СО, барбітурати, ацетоацетат, креатинін, аланін і ін., З крові або інших фізіологічних рідин у імплантують або діючу пенсійну систему екстракорпоральному шунт електрохімічної осередку. Крім того, було розглянуто можливість роботи таких осередків, як за принципом паливного елемента (коли на катоді відбувається електровідновлення газоподібного кисню або водню, розчиненого в крові пацієнта, а на аноді відбувається окислення токсинів), так і при підключенні зовнішнього джерела струму, коли він є постачальником електрорушійної сили.

Приблизно в той же час в лабораторії ензимології і біоенергетики Наукового центру 2-го Московського Державного медичного інституту була створена електрохімічна модель цитохрому Р-450 і на її основі розроблена детоксикаційної-екскреторна система, що складається з реактора окислювача і діалізаторів. У простій електрохімічної система спостерігалося окислення гідрофобних речовин молекулярним киснем, відновлюваних на катоді. Цей електрохімічний реактор моделював окислительную функцію печінки, а диализатор - екскреторну функцію нирок, Однак, незважаючи на великий інтерес до методу електрохімічного окислення, він не знайшов клінічного застосування, так як перші дослідження не торкалися суті проблеми, а лише розглядали принципову можливість детоксикації організму прямим електроокислення крові та інших біологічних рідин. Апарати електрохімічного окислення використовувалися тільки в стендових дослідах на різних розчинах і не давали жодного уявлення про вплив електрохімічного окислення на біологічні рідини організму. Тому в останні роки проводилися систематичні дослідження щодо з'ясування принципової можливості електроокислення гідрофобних токсинів в крові, лімфі і плазмі, визначенню кінетики і механізму окислення типових токсинів, визначенню впливу електрохімічного окислення на різні показники гомеостазу інтактних тварин, і, нарешті, по ефективності використання на рівні організму електрохімічного окислення.

Кінетика і механізм електроокислення типових токсинів досліджувалися на стаціонарних, що обертаються і вібруючих гладких і платинованим платинових електродах шляхом прямого зіставлення поляризаційних і адсорбційних вимірів, вмиполненних в одних і тих же умовах за методикою докладно описаній раніше. Була вивчена адсорбція і анодное окислення типових ендогенних субстратів: білірубіну, холестерину, сечовини і глюкози і типових ксенобіотиків: похідних барбітурової кислоти, етанолу; метанолу, формальдегіду, фенолу і деяких інших.

В якості основного речовини для вивчення режимів роботи апарату, що імітує детоксикаційної функції печінки за допомогою електрохімічного окислення, був обраний білірубін, так як реакція його окислення в мікросомах печінки добре вивчена і легко контролюється візуально і спектрофотометрически. Розчини білірубіну готувалися за методикою, описаною в роботі, і в них додавалося 150 мМ NaCl. Концентрація білірубіну в розчині визначалася спектрофотометрически (з використанням калібрувальної кривої Біо-ЛАТЕСТ білірубін) на приладах Spectromom 402 і Spectromom 410 (Угорщина). Для спектрофотометрического визначення білірубіну використовувалися дві довжини хвилі - 430 н 480 нм. Всі проби для спектрофотометричного визначення білірубіну розлучалися в 30 разів фосфатним буфером. У декількох серіях записувалися абсолютний і диференційний спектри білірубіну на приладі Uni-Сагло-8000 (Cambridje, Англія) в межах довжин хвиль 350 - 550 нм. Так як білірубін самоокісляется на світлі і це може вплинути на дані експериментів, проводилися контрольні досліди для виключення цього ефекту на результати досліджень.

Одночасно з визначенням концентрації білірубіну ставилися досліди на гостру токсичність на мишах з блокадою РЕМ за методикою, описаною в роботі.

Стендові досліди проводилися як на модельних розчинах білірубіну, так і на плазмі дітей, хворих гомолитически хворобою новонароджених.

На інтактних тварин (всього 54 безпородних собак вагою від 6 до 13 кг) була проведена серія експериментів для з'ясування впливу електрохімічного окислення на нормальні показники гомеостазу (26 тварин) і на швидкість виведення білірубіну з організму (14 тварин + 14 тварин в контрольній групі). У собак під гексеналового наркозом катетерізіровать стегнова артерія і вена і по артеріо-венозного контуру підключався апарат електрохімічного окислення (апарат і магістралі піддавалися попередньої Силіконізація). Перед початком перфузії тваринам вводили гепарин фірми Ріхтер з розрахунку 500 од / кг ваги тварини. Кров з артерії надходила в реакційну осередок і потім самопливом поверталася в стегнову вену. Окислення проводили протягом 2 год при швидкості потоку крові через електролізер 50 мл / хв. Морфологічні показники крові досліджувалися до початку окислення і через 15, 30, 60 і 120 хв окислення. Проби бралися з стегнової вени. Проводився підрахунок еритроцитів, лейкоцитів, визначення розгорнутої лейко-грами, вмісту гемоглобіну, гемокріт вільного гемоглобіну плазми. Одночасно вивчалися біохімічні параметри крові на апаратах Centribichem-400 і 12 і 6-канальні-них анализаторах SMACAutoanalyserSystem, Технікон (США). Кислотно-лужний стан і газовий склад крові досліджувалися на апараті мікроаструп АВС-2 RadiometerCopenhagen. На 7 собаках вивчався стан системи згортання крові в процесі електрохімічного окислення. Визначали кількість тромбоцитів, час рекальцифікації, толерантності крові до гепарину, тромбопластиновий час по Квіку, концентрацію фібриногену. На тромбозластографе Хелліге (ФРН) реєструвалися тромбоеластографіческіе криві. Вивчалася хемілюмінесценція сироватки крові. Реєстрація показників стану центральної і периферичної гемодинаміки в процесі електроокислення здійснювалася на апараті Mingograph 82 SiemensElema (ФРН). Після закінчення експериментів тварини були забиті для гістологічних досліджень.

2. електрохімічного окислення В МОДЕЛЮВАННІ ФУНКЦІЇ монооксигенази ПЕЧІНКИ

З точки зору електрохімії можливі три підходи в моделюванні функцій монооксигеназ печінки.

Перший напрямок - це катодного гідромксілірованіе за рахунок двухелектронних відновлення кисню, розчиненого в крові, на відповідному катоді з постачанням електронів від зовнішнього джерела струму за загальним рівнянням:

О 2 + 2H + + 2 e + RH → ROH + H 2 O. (1)

При цьому механізм процесів, що протікають може бути дуже складний. Електрод може виступати як заміна окислювально-відновної ферментної ланцюга, що поставляє на фермент Р-450 електрони, необхідні для активації молекулярного кисню, або забезпечити додаткову електрохімічний активацію молекулярного кисню, прискорюючи роботу микросомальной гідроксилюється системи. На електродах з різних вуглецевих матеріалів, золота і деяких інших в результаті двухелектронних відновлення кисню буде утворюватися перекис водню, яка може брати участь у різних реакціях окислення токсинів, що каталізують ферментами в крові.

Другий напрямок - це пряме анодное окислительное гидроксилирование різних токсинів із загальної реакції:

RH + 2OH - → 2 e → ROH + H 2 O. (2)

Шляхом збільшення анодного потенціалу і правильного підбору матеріалу електрода каталізатора можна домогтися окислення практично будь-якого органічного з'єднання. Тому на сьогоднішній день цей напрямок є найбільш перспективним в моделюванні функції монооксигеназ печінки і повністю незалежним від роботи ферментативних систем.

Третій напрям - це електрокаталітичні гидроксилирование в короткозамкненим паливному елементі, на катоді-каталізаторі якого відбувається відновлення розчиненого в крові кисню, а на аноді-каталізаторі окислення (гідроксилювання) по реакції (2). Так як між катодом і анодом відбувається обмін електронами, сумарна реакція, що протікає в такому топлівномлівном елементі, наступна:

2 RH + O 2 → 2 ROH

В принципі, це найбільш ідеальна система в моделюванні функції монооксигеназ печінки, так як вона не потребує притоку електронів ззовні (т. Е. Не потребує зовнішнього джерела струму) і є саморегулюючою системою. Однак більшість ксенобіотиків і токсинів навіть на найбільш активних платинових електродах-каталізаторах окислюється з працею, при досить позитивних потенціалах. У той же час на на менш активних з відомих в даний час кисневих електродах енергетичні втрати становлять 0,2-0,3 В. Таким чином сучасний стан електрокаталіз не може забезпечити на відомих каталізаторах окиснення з достатньою швидкістю всіх токсинів в таких короткозамкнутих паливних елементах. Тому основна увага була зосереджена на моделюванні монооксигеназ печінки прямим електрохімічним окисленням.


ВИСНОВОК

Проведені дослідження показали можливості електрохімічного окислення в моделюванні функції монооксигеназ печінки, а також у створенні електрохімічної моделі монооксигеназной системи печінки. Вивчення електрохімічного окислення різних токсинів ендогенного походження і ксенобіотиків як на стендах, так і на тварин показало, що продукти електроокислення ідентичні тим, які утворюються при окисленні токсинів в печінці. Можливість створення штучних систем, здатних здійснювати гідроксилазних реакції, що протікають в ЕПР клітин печінки, лімітується не власне можливостями електрохімічного окислення токсинів, а проблемою білкової захисту, т. Е. Зв'язуванням токсину альбуміном в організмі і проблемою сумісності електрохімічної комірки з кров'ю. Тому всі запропоновані раніше системи виявилися непрацездатними в крові та інших біологічних рідинах. Докладне вивчення електрохімічного окислення різних токсинів прямо в крові, і інших фізіологічних рідинах, дослідження сумісності електрохімічної комірки з кров'ю дозволили створити штучну детоксицирующую систему клінічного призначення.

Так як створення електрохімічної моделі монооксигеназной системи печінки зіткнулося з серйозною проблемою сумісності електрохімічної комірки з кров'ю, був запропонований метод непрямого електрохімічного окислення крові з використанням переносників активного кисню, коли кров не вступає в контакт з електрохімічної системою, т. Е. Електролізу піддається розчин переносника кисню , який потім вводиться пацієнтові.

В якості найбільш зручного і фізіологічного переносника кисню використаний ізотонічний розчин хлористого натрію, в якому при електролізі на відповідних анодах відбувається накопичення активного кисню у вигляді гіпохлориту натрію. Показано, що серед реакцій окислення гіпохлоритом є майже всі типи реакцій каталізуються моноокись-сігеназамі. Окислення ряду ксенобіотиків і ендотоксинів гіпохлоритом призводить до утворення кінцевих продуктів, аналогічних одержуваних за участю цитохрому Р-450. Гіпохлорит натрію дозволяє обійти ефект білкової захисту токсичних метаболітів і моделює не тільки функції монооксигеназ печінки, а й молекулярні механізми фагоцитозу.

Дослідження в модельних розчинах, в плазмі крові і в експериментах на тваринах дозволили перейти до клінічного використання непрямого електрохімічного окислення.


Список використаної літератури:

1. Арчаков А. І, Мікросомальне окісленіе.- М .: Наука, 2005.- 327 с.

2. Жирнов Г. Ф. Ізотов М. В., Корузіна І. І. та ін. // Питання мед. хімії, - 2008, - № 2, - С, 218-222.

3. Комаров Б.Д., Лужників Є. А., Шіманко І. І. Хірургічні методи лікування гострих отравленіі.- М .: Медицина, 2001.- 270 с.

4. Корита І. Іони, електроди, мембрани, - М .: Хімія, 1983.- 263 с.

5. Лопаткін Н.А., Лопухін Ю.М. Еферентні методи в медицині. - М .: Медицина, 2006. - 234с.

6. Лопухін Ю.М., Молоденков М.Н. Гемосорбція.-М .: Медицина, 2008.-301с.

7. Лопухін Ю. М., Молоденков М. І. Гемосорбція.- 2-е изд. перераб. І доп.- М .: Медицина, 2005.- 288 с.

8. Лопухін Ю, М., Арчаков А. І., Владимиров Ю. А., Коган Е. М. холе-
стеріноз, - М .: Медицина, 2003 - 352 с.

9. Метелиця Д. І. Активація кисню ферментними сістемамі.- М .: Наука, 2002.- 254 с.

10. Полукаров Ю.М. Електрохімія і медицина. Підсумки науки і техніки М .: - 2000. - 251 с.

11. Томилов А. П., Майрановський С. Г., Фіочшн М.Б., Смирнов В. А. Електрохімія органічних соедіненіі.- Л .: Хімія, 2008.- 590 с.

12. Епплбі А. Дж. Електрохімія. Минулі тридцять і майбутні тридцять років. / Ред. Блума Г., Гутман Ф. - М .: Хімія, 2002. - с. 349-351.


  • Перший напрямок
  • Другий напрямок
  • Третій напрям

  • Скачати 20.54 Kb.