§ 5. Электрохимия в медицине

Современное применение электрохимии в медицине чрезвычайно разнообразно: от миниатюрных батареек, регулирующих сердцебиение людей, страдающих сердечными заболеваниями, до водородных топливных элементов, обеспечивающих электроэнергией космические корабли. Электрохимические методы анализа применяются для очистки воды, для анализа загрязняющих микропримесей, содержащихся в воздухе и воде, и контроля окружающей среды, для регулирования содержания в мозговых тканях веществ, которые ответственны за возникновение таких заболеваний, как, например, болезнь Паркинсона. Болезнь Паркинсона, проявляющаяся в заметном непроизвольном дрожании конечностей и головы, обусловлена недостаточным содержанием допамина в мозге больных. Допамин относится к числу так называемых нейротрансмиттеров – химических веществ, выделяемых нервными клетками мозга. С помощью этих веществ осуществляется передача сигналов мозга. Профессор химического факультета Университета штата Индиана (США) Р.М. Уайтмен обнаружил, что содержание нейротрансмиттеров поддается прямым измерениям с помощью электрохимических методов. Это может привести к успешному лечению болезни Паркинсона путем возмещения недостаточного содержания допамина. Кроме того, профессор Р.М. Уайтмен использовал электрохимические электроды для измерения содержания различных химических веществ в мозге крыс. На основании данных, полученных в этих экспериментах, электрофизиологи изучают, каким образом химические вещества, содержащиеся в мозге, осуществляют свое действие. Эти сведения могут, в конце концов, привести к новым методам контроля или предотвращения некоторых заболеваний, связанных с деятельностью мозга.

Созданы электрические шагомеры для страдающих сердечными заболеваниями. Легкость автоматизации, избирательность и чувствительность электрохимических методов привели к созданию электрохимических датчиков для обнаружения большинства загрязняющих примесей в воздухе и природных водах, а также других средах, оказывающих влияние на жизнь человека и его окружение.

Биологические среды представляют собой сложные многокомпонентные системы, содержащие низкомолекулярные вещества (ионы, молекулы), макромолекулы (белки, нуклеиновые кислоты), надмолекулярные структуры и клеточные элементы. К биологическим средам могут быть отнесены сыворотка и плазма крови, моча, профильтрованный желудочный сок, спинномозговая жидкость, пот, цитоплазма клеток.

Изучение явлений, возникающих в биологических системах, при протекании через них электрического тока имеет большое значение для медицины. Различные диагностические и терапевтические методы электрофизиологии и физиотерапии основаны на свойствах жидкостей и тканей организма проводить электрический ток. Электродиагностика используется при ряде заболеваний нервной и мышечной системы с целью определения изменения реакций мышц и двигательных нервов на раздражение их электрическим током. Изменение электровозбудимости как двигательного нерва, так и снабжаемых им мышц, происходит при некоторых заболеваниях нервно-мышечного аппарата и благодаря этому удается установить область и степень нарушения нервно-мышечного аппарата. Широко применяется в лечебной практике электрический ток и электромагнитные поля. Так, электротерапевтическими методами лечения являются электростимуляция, гальванизация, лечебный электрофорез, диатермия, индуктометрия, ультравысокочастотная терапия и др.

Измерение электропроводимости растворов слабых электролитов позволяет определить их важнейшие характеристики – степень и константу диссоциации. Этим же методом можно измерить концентрацию некоторых электролитов в растворе, растворимость и произведение растворимости плохо растворимых солей, основность органических кислот, степень минерализации вод, почв и грунтов.

Биологические ткани и жидкости содержат значительное количество электролитов и обладают довольно высокой электропроводимостью. Наличием электролитов в организме частично определяется осмотическое давление и коллоидное состояние белков клеток и межклеточного пространства. Электролиты усиливают окислительно-восстановительные процессы, способствуют нейтрализации токсических продуктов, а также росту, размножению и кроветворению. Со степенью диссоциации связано бактерицидное и дезинфицирующее действие солей тяжелых металлов. Многие лекарственные препараты являются электролитами и фармакологическое действие обусловлено ионами, входящими в их состав.

При диссоциации и количественном изменении содержания некоторых электролитов в организме развиваются различные патологические изменения. Изучение электролитических нарушений при многих заболеваниях и их своевременная коррекция иногда являются решающими для успешного лечения больных.

Организм человека – это своеобразный топливный элемент, превращающий химическую энергию продуктов питания в электрическую, а затем в механическую энергию. В основе этих процессов лежат различные окислительно-восстановительные биологические реакции.

В живых системах наиболее важными донорами электронов служат атомы водорода органических молекул, а наиболее важным акцептором электронов является кислород. Однако, в живых системах непосредственного присоединения водорода к кислороду не происходит. При помощи переносчиков электронов, имеющих промежуточный окислительно-восстановительный потенциал, осуществляется сложная последовательность реакций. Склонность к участию в окислительно-восстановительных реакциях может быть определена путем измерения окислительно-восстановительных потенциалов. Величина окислительно-восстановительного потенциала какого-нибудь вещества есть мера способности принимать электроны от другого вещества или отдавать их.

Поскольку ионы воздействуют на организм не только качественно, но и количественно, то будущим медикам важно знать закономерности, определяющие ту или иную степень диссоциации электролита, также причины, обусловливающие распад молекул электролита на ионы.

Биологические жидкости организма, внутри – и межклеточная жидкость содержат большие количества сильных и слабых электролитов, играющих большую роль в функционировании живых систем. Многие биохимические процессы в организме протекают при непосредственном участии электролитов. Ионы металлов, являясь активаторами многих ферментов, регулируют скорость биохимических процессов (регуляторная функция). Одной из важных функций ионов в организме является биоэлектрическая функция.

Возникновение разности потенциалов на клеточных мембранах связано с особым распределением ионов Na⁺ и K⁺. Изменение отношения концентраций этих ионов лежит в основе передачи нервного импульса.

Проницаемость биологических мембран во многом определяется концентрацией электролитов. Поддержание электролитного фона на постоянном уровне имеет чрезвычайно важное значение для нормального функционирования организма в целом. Определение содержания электролитов в тканях и жидкостях позволяет проводить диагностику некоторых патологических состояний.

Кондуктометрические методы анализа используются для контроля различных химико-фармацевтических препаратов (антибиотиков, алкалоидов, аминокислот, пептидов, анальгетиков и многих других лекарственных веществ), для контроля процессов очистки и качества воды, оценки загрязненности сточных вод в санитарно-гигиеническом анализе, для определения концентрации солевых растворов, содержания солей в минеральной, морской и речной воде и т. д.

Методы кондуктометрии весьма эффективны при экспрессной оценке клинического состояния организма. Так в норме удельная электропроводимость мочи человека колеблется в пределах (165–229) · 10^-2 Ом^-1 см^-1. При заболеваниях почек (нефрит, нефросклероз, гломерулонефрит) величина электропроводимости мочи уменьшается до (86,5–138,0) · 10^-2 Ом^-1 · см^-1. Уменьшение электропроводимости мочи связано с уменьшением концентрации NaCl и увеличением содержания белка. При диабете электропроводимость мочи также понижена из-за повышенного содержания сахара, являющегося неэлектролитом. Исследования, проведенные на желудочном соке, показали, что электропроводимость желудочного сока и общая кислотность при наличии свободной HCl величины связанные. При 18°С удельная электропроводимость менее 80 · 10^–2 Ом^–1 · см^–1 указывает на бескислотность, (100–125) · 10^–2 Ом^–1 см^–1 – на нормальную кислотность и свыше 125 · 10^–2 Ом^–1 · см^–1 – гиперкислотность. При заболевании костного мозга, связанном с перепроизводством форменных элементов крови, сопротивление сгустка цельной крови увеличивается. Уменьшение электропроводимости крови наблюдается при пневмонии и диабете, уремии и желтухе.

Методы кондуктометрии, кроме того, применяются при исследовании крови. Например, происходит увеличение сопротивления крови человека с возрастанием гематокритного числа. В процессе свертывания крови, то есть при изменении ее агрегатного состояния, меняется ее электропроводимость. Электропроводимость начинает падать с появлением в крови фибрина и затем кровяного сгустка.

Уменьшение электропроводимости продолжается до тех пор, пока не начнется ретракция и фибринолиз, при которых выделяется сыворотка из сгустка и происходит растворение сгустка. После этого электропроводимость крови увеличивается.

Кондуктометрический метод широко применяется для оценки суммарного содержания электролитов. Например, при анализе вод минеральных источников, сточных вод промышленных предприятий, при контроле качества питьевой воды.

Кондуктометрическое титрование находит широкое применение при определении концентрации электролитов в окрашенных и мутных средах. В частности, в биологических средах, а также в растворах, содержащих сильные окислители и восстановители, когда затруднено использование обычных индикаторов. Преимуществом кондуктометрического титрования является возможность автоматизации процесса.

Следовательно, широкое внедрение кондуктометрических методов в практику медицинских исследований может обеспечить повышение точности и чувствительности многих видов измерений, упрощение и унификацию процедур по извлечению диагностически и терапевтически важной информации, повышение информативности известных методик и получение совершенно новых сведений о свойствах биологических объектов.

Методом потенциометрии можно определять рН растворов. Измерение рН является одной из наиболее важных и часто используемых в биохимии, так как от величины рН зависят многие важные свойства и активность биологических макромолекул, а также поведение клеток в организме. В настоящее время трудно себе представить хоть одну клиническую лабораторию, в которой бы не использовали рН-метры для получения диагностически важной информации. Преимущество этого метода измерения рН перед другими (колориметрическими) в возможности использования его при работе с белковыми, а также с окрашенными и мутными растворами.

Потенциометрическим методом можно определять стандартные термодинамические величины. Измерение ЭДС гальванических цепей широко используется как очень точный и надежный метод определения стандартных окислительно-восстановительных потенциалов, констант равновесия химических и биохимических реакций и других термодинамических функций. Не менее важным является потенциометрическое определение по ЭДС окислительно-восстановительных потенциалов. Так как большинство реакций в организме является окислительно-восстановительными, то, зная и сопоставляя нормальные окислительно-восстановительные потенциалы для различных систем при равных концентрациях, можно предсказать, в каком направлении протекает та или иная реакция. В результате самых различных превращений в ходе обмена веществ в организме в норме и при различных патологических состояниях равновесие постоянно нарушается и смещается в сторону его установления. Без окислительно-восстановительных потенциалов невозможно понять сущность процессов тканевого дыхания в организме и многих обменных окислительно-восстановительных процессов.