Поражение органа зрения электромагнитным излучением сверхвысокочастотного диапазона (ЭМИ СВЧ) встречается преимущественно как профессиональная патология у лиц, связанных с эксплуатацией различных устройств связи, являющихся источниками ЭМИ СВЧ (например, антенн, радаров, генераторов) [1]. Тем не менее использование различных источников ЭМИ СВЧ в повседневной жизни (например, беспроводных сетей, спутникового телевидения, радиосвязи, мобильных телефонов, бытовой техники), а также постоянное расширение спектра источников ЭМИ СВЧ, применяемых в быту и на производстве, диктуют необходимость исследования возможных неблагоприятных эффектов воздействия ЭМИ СВЧ на организм в целом и орган зрения в частности.

Наиболее известной формой поражения ЭМИ СВЧ органа зрения является СВЧ-индуцированная катаракта, формирование которой описано в результате как хронического облучения, так и однократного интенсивного воздействия ЭМИ СВЧ, при этом значение пороговой энергии для катарактогенеза варьирует в зависимости от продолжительности облучения [2—5].

В отличие от СВЧ-катаракты о других формах поражения органа зрения ЭМИ СВЧ известно меньше. Так, экспериментальные и клинические исследования охватывают преимущественно нетепловые (подпороговые) эффекты хронического воздействия ЭМИ СВЧ на структуры глаза; например, есть отдельные данные об изменениях в цилиарном теле и сетчатке после длительного воздействия ЭМИ СВЧ от аппаратов мобильной связи [6, 7]. Об эффектах теплового воздействия (надпорогового) на структуры глазного яблока (за исключением хрусталика) данных еще меньше. В частности, описаны случаи дистрофических изменений в роговице, развития ирита с нарушением целостности гематоофтальмического барьера [3, 8]. Суммарно данные о характере изменений, помимо катаракты, в структурах органа зрения на фоне непродолжительного высокоэнергетического (острого) воздействия ЭМИ СВЧ ограничены и чаще описываются как случайная находка. Тем не менее исследование характера возможных изменений в структурах органа зрения и условий их развития на фоне острого воздействия ЭМИ СВЧ может иметь важное значение для выбора тактики лечения при возможных острых поражениях источниками ЭМИ СВЧ.

Цель исследования — изучить клинические и морфологические проявления поражения органа зрения при остром воздействии СВЧ-излучения.

Исследование было выполнено на 30 кроликах породы Шиншилла (масса 2—2,5 кг) в соответствии с международными рекомендациями по работе с лабораторными животными, Стокгольмской декларацией о гуманном обращении с лабораторными животными и одобрено локальным этическим комитетом ГНИИИ ВМ МО РФ.

Кролики случайным образом были разделены на 5 групп по 6 кроликов в зависимости от времени экспозиции СВЧ-излучения: 1-я группа — 15 с, 2-я группа — 30 с, 3-я — 45 с, 4-я — 60 с, 5-я — контроль.

Параметры воздействия электромагнитного излучения и схема эксперимента. Для генерации ЭМИ СВЧ использовали экспериментальную установку с выходными параметрами СВЧ-излучения: частота 3,97 ГГц (длина волны 7,55 см), плотность потока энергии 1,0 Вт/см². Перед опытом животное фиксировали в станке и наркотизировали путем внутримышечного введения гексенала, затем перед правым глазом на расстоянии 20 см располагали излучатель и производили воздействие.

До и после облучения исследовали структуры переднего и заднего сегментов правого (облучаемого) и левого глаза с помощью щелевой лампы HSL-150 («Heine», Германия) и непрямого бинокулярного офтальмоскопа Omega 200 («Heine», Германия). Дополнительно для визуализации изменений глазной поверхности использовали тест-полоски с флюоресцеином и лиссаминовым зеленым. Через 12 ч после воздействия животных выводили из эксперимента путем передозировки наркоза (тиопентал натрия 100 мг/кг внутривенно), глазные яблоки энуклеировали, промывали в фосфатно-солевом буферном растворе (PBS) и вскрывали разрезом по линии экватора для извлечения хрусталика, при этом также рассекали стекловидное тело, сохраняя его основание в зоне цилиарного тела.

Исследуемые параметры. Все выявленные изменения глазной поверхности после воздействия классифицировали в соответствии с градацией: 0 — нет изменений, 1 — отдельные участки эрозии в роговице, отек стромы слабый или отсутствует, инъекция конъюнктивы слабая или отсутствует, 2 — эрозия достигает 50% площади роговицы, умеренный отек стромы, инъекция конъюнктивы, 3 — тотальная эрозия, умеренный или выраженный отек стромы, выраженная инъекция и хемоз конъюнктивы.

Степень помутнения хрусталика определяли при аутопсии по видимости сетки на бумаге, на которой располагали извлеченный хрусталик, в соответствии с градацией: 0 — прозрачный, 1 — легкое помутнение, линии сетки видны под флером, 2 — умеренное помутнение, линии сетки едва просматриваются, 3 — выраженное помутнение, линии сетки неразличимы (см. рис. 3 [9]).

После воздействия клеточную реакцию во влаге передней камеры (ПК) оценивали при биомикроскопии в соответствии с градацией от 0 до 4+ баллов Standardization of Uveitis Nomenclature (SUN) Working Group при положении осветителя под углом 50° и щели 1×1 мм [10]. При градации учитывали результаты морфологического исследования, особенно в случаях помутнения роговицы, не позволявшего провести биомикроскопическую оценку.

При аутопсии у всех животных забирали образцы влаги ПК (0,1 мл) и стекловидного тела из зоны основания (0,2 мл). Из энуклеированного и отмытого в PBS глазного яблока до вскрытия брали влагу ПК с помощью стерильной иглы 30 G, стекловидного тела с помощью стерильной иглы 20 G, избегая контаминации инструментов и материала [11]. Полученные образцы собирали и хранили при –20 °С. В образцах методом ИФА с помощью наборов реактивов ProCon IL-1β, ProCon IL-6 и ProCon TNFα («Протеиновый контур», Россия) исследовали содержание провоспалительных цитокинов ИЛ-1β, ИЛ-6 и ФНОα в соответствии с инструкциями производителя. Сотрудники, исследовавшие содержание цитокинов, не имели данных о принадлежности проб к животному из какой-либо группы.

Морфологическое исследование. После осмотра макропрепаратов их фиксировали в 10% забуференном нейтральном растворе формалина в течение 24 ч, затем осуществляли гистологическую проводку по стандартному протоколу с заливкой в парафиноподобную среду Histomix («Биовитрум», Россия) и изготавливали срезы толщиной 4 мкм, которые окрашивали гематоксилином и эозином и исследовали под микроскопом Leica DM4000 («Leica», Австрия).

Статистический анализ. Анализ результатов производили в пакете программ Statistica 10.0 («StatSoft», Tulsa, СШA) с помощью непараметрических методов (U-критерий Манна—Уитни) статистической обработки данных. Результаты представлены в виде M±SD. Статистически достоверными считали результаты с уровнем значимости меньше 0,05.

Изменения глазной поверхности. При экспозиции 30 с и выше наблюдали признаки повреждения роговицы подверженных воздействию правых глаз в форме частичной или тотальной эрозии с отеком стромы различной выраженности (рис. 1, а).

Воспалительная реакция в передней камере глаза. Клеточную реакцию во влаге ПК наблюдали при воздействии в течение 30 с и более (рис. 2).

Индуцированная СВЧ-катаракта. После воздействия наблюдали формирование СВЧ-индуцированной катаракты, при этом частота формирования и степень помутнения коррелировали с увеличением времени экспозиции (r=0,81, p<0,05) (рис. 3, а). Более выраженные помутнения значимо чаще выявлялись после экспозиции 45 и 60 с, хотя начальное помутнение (степень 1) развивалось в половине случаев после экспозиции СВЧ-поля 15 с, а значимое отличие по частоте и выраженности помутнения в сравнении с показателями контроля фиксировали после 30 с воздействия. Индуцированная катаракта характеризовалась элементами диффузного помутнения, вовлекающего все слои хрусталика, в некоторых случаях наблюдалась неравномерность помутнения с участками «молочного» помутнения в области экватора хрусталика. При морфологическом исследовании были выявлены признаки гидропической дистрофии эпителия хрусталика (см. рис. 3, б), вакуолизации и нарушения организации хрусталиковых волокон (см. рис. 3, в). На парном (левом) глазу также наблюдали формирование катаракты (по одному случаю со степенью помутнения 1 при экспозиции 45 и 60 с).

Морфологические изменения в заднем сегменте глаза. У животных с достаточной для офтальмоскопического исследования прозрачностью оптических сред после воздействия не было выявлено каких-либо изменений в структурах глазного дна. Морфологическое исследование также не обнаружило патологических изменений в сетчатке и зрительном нерве подопытных животных, в том числе в группе с экспозицией 60 с. При морфологическом исследовании на фоне клеточной реакции в ПК 3+ и 4+ у подопытных животных была выявлена инфильтрация нейтрофилами и мононуклеарными клетками в стекловидном теле в 2 случаях после экспозиции 45 и в 3 случаях после экспозиции 60 с (рис. 4).

Через 24 ч после воздействия при сравнении с данными группы контроля содержание цитокина ИЛ-1β во влаге ПК правого глаза было значимо выше в группе с экспозицией 45 и 60 с (14,26±8,92 (p<0,01) и 16,47±5,94 (p<0,001) пг/мл соответственно), а также в стекловидном теле в группе с экспозицией 60 с (10,79±5,42 пг/мл, p<0,05).

Содержание цитокина ИЛ-6 было значимо выше во влаге ПК правого глаза в группе с экспозицией 60 с (23,25±5,76 пг/мл, p<0,05) и в стекловидном теле у животных с экспозицией 45 и 60 с (16,14±8,18 (p<0,05) и 17,94±5,06 (p<0,001) пг/мл соответственно) в сравнении с показателями контроля.

Содержание цитокина ФНОα было значимо выше в группах с экспозицией 45 и 60 с во влаге ПК правого (облучаемого) глаза (22,26±8,74 и 26,83±7,89 пг/мл соответственно, p<0,01) и в стекловидном теле (17,30±8,67 и 21,48±8,60 пг/мл соответственно, p<0,01) в сравнении с показателями контроля.

В целом выявлена значимая корреляция между экспозицией в ПК и содержанием провоспалительных цитокинов ИЛ-1β, ИЛ-6 и ФНОα в ПК (соответственно r=0,79, r=0,58 и r=0,67, p<0,05), в стекловидном теле (соответственно r=0,48, r=0,69 и r=0,64, p<0,05).

Значимых различий в содержании исследуемых цитокинов в парном (левом) глазном яблоке в сравнении с данными группы контроля выявлено не было.

Проведенное исследование было направлено на изучение возможных эффектов воздействия ЭМИ СВЧ на различные структуры органа зрения кроликов при однократном непродолжительном облучении с высоким уровнем энергии.

В соответствии с уровнем плотности потока энергии (ППЭ) принято выделять тепловые и нетепловые механизмы воздействия ЭМИ СВЧ на биологические ткани, при этом пограничной между ними считается ППЭ 10 мВт/см² [3]. Изучение безопасности устройств-источников ЭМИ СВЧ (например, мобильных телефонов, холодильников, фенов) подразумевает главным образом исследование нетепловых эффектов хронического воздействия СВЧ-излучения. В то же время в условиях промышленного использования различных технических устройств, эксплуатации оборудования для связи, а также в быту человек может подвергаться острому интенсивному воздействию ЭМИ СВЧ. В эксперименте была использована ППЭ 1,0 Вт/см², что в 100 раз выше указанного пограничного уровня; тем не менее полученные в эксперименте изменения в структурах глазного яблока возможны и при более низких значениях ППЭ при условии большего времени воздействия (свыше 1 мин).

Со стороны структур глазной поверхности в результате воздействия ЭМИ СВЧ наблюдались изменения в диапазоне от единичных эрозий и слабой конъюнктивальной инъекции до тотальной десквамации эпителия и эндотелия, выраженного отека с помутнением в роговице и хемозом. В отличие от термических ожогов поглощенная энергия с прогревом тканей при воздействии ЭМИ СВЧ распределяется не в соответствии с температурным градиентом от поверхности в глубину, а зависит от диэлектрических характеристик тканей и длины волны излучения [12]. Поэтому в ряде случаев в эксперименте на фоне относительно незначительного повреждения роговицы (единичные эрозии, слабый отек) наблюдались развитие катаракты, клеточная реакция в ПК и стекловидном теле, которые в случае термического ожога позволили бы отнести его к III—IV степени (тяжелый ожог, сопровождающийся характерными для него повреждениями глазной поверхности) [13].

В эксперименте использовали ЭМИ СВЧ с длиной волны 7,55 см (частота 3,97 ГГц), при этом ранее в исследованиях было установлено, что поверхностные ткани (кожа век, ткани глазной поверхности) поглощают вместе примерно 20—30% энергии, а остальная энергия обеспечивает нагрев более глубоких тканей, степень которого зависит от уровня кровоснабжения и скорости отведения тепла [3, 12]. В частности, воздействие ЭМИ СВЧ с частотой 5,8 ГГц при ППЭ 30 мВт/см² повышает температуру кожи век на 0,48 °С, температуру роговицы на 0,7 °С, а повышение температуры в сетчатке составляет только 0,03—0,08 °С [3, 7]. Данное обстоятельство определило видимую в эксперименте разницу в степени повреждения роговицы, хрусталика, цилиарного тела и сетчатки.

Условия формирования СВЧ-катаракты ранее уже были исследованы в экспериментах на различных животных [14, 15]. Было установлено, что формирование СВЧ-катаракты в случае острого воздействия начинается при повышении температуры в ретролентальном пространстве свыше 41 °C, что достигается при ППЭ 100 мВт/см² в течение 1 ч. В условиях проводимого эксперимента ППЭ была заведомо выше, обеспечивая нагрев ткани в более короткие сроки, при этом катарактогенез в диапазоне экспозиции 15—60 с имел дозозависимый эффект. При экспозиции 15 с воздействие ЭМИ СВЧ с ППЭ 1 Вт/см² в половине случаев приводило к формированию начальных помутнений, захватывающих не только капсулу и субкапсулярные слои, но и кортикальные слои, что отличало наблюдаемые в опыте катаракты от описанных в литературе СВЧ-катаракт при хроническом облучении.

Краткосрочный избыточный нагрев тканей глазного яблока сопровождался компенсаторными реакциями в форме увеличения теплоотдачи с циркулирующей кровью, что морфологически отражалось в форме полнокровия сосудов в радужке, цилиарном теле и сосудистой оболочке [16]. Тем не менее белковый выпот и выход клеток в экстравазальное пространство (в том числе клеточная реакция в ПК) свидетельствовали о том, что избыточный нагрев привел к нарушению сосудистой проницаемости и повреждению структур гематоофтальмического барьера. С другой стороны, преобладание среди клеток нейтрофилов, а также увеличение концентрации провоспалительных цитокинов могут свидетельствовать о том, что изменение сосудистой проницаемости могло быть вторичным, как одна из реакций в СВЧ-индуцированном воспалительном процессе в поврежденных тканях. Важно, что между интенсивностью клеточной реакции, содержанием цитокинов и временем экспозиции была выявлена значимая положительная корреляция. Возможно, хроническое воздействие ЭМИ СВЧ с более низкой ППЭ (в режиме теплового воздействия, близкого к пороговому) также может через определенное время экспозиции вести к изменениям в функционировании гематоофтальмического барьера.

Клиническое и морфологическое исследования сетчатки и зрительного нерва не выявило каких-либо значимых признаков термического повреждения, что, как указано ранее, могло быть обусловлено достаточным отведением тепла сосудистой оболочкой. В то же время неспецифическое клеточное повреждение (ранние этапы декомпенсации клеточного метаболизма и запуска механизмов апоптоза) могло быть не идентифицировано спустя 1 сут после воздействия [17]. В доступных источниках литературы не было найдено каких-либо сведений об отсроченных эффектах острого воздействия ЭМИ СВЧ на сетчатку, поэтому данные вопросы могут представлять интерес для дальнейшего изучения.

В работе были исследованы уровни цитокинов, играющих важную роль в индукции процессов воспаления, — ИЛ-1β, ИЛ-6 и ФНОα во влаге передней камеры и стекловидном теле. Известно, что их содержание повышается в ответ на повреждение клеток при травмах, ожогах и различных заболеваниях [18, 19]. Но нет каких-либо данных о том, как изменяется уровень цитокинов в стекловидном теле при повреждении структур переднего сегмента глаза. Данное исследование показало, что между степенью повреждений, экспозицией излучения и уровнем провоспалительных цитокинов как в ПК, так и в стекловидном теле есть значимая прямая положительная корреляция; при этом даже в случаях слабого повреждения было зафиксировано увеличение содержания ИЛ-1β и ФНОα в стекловидном теле, что может свидетельствовать о субклиническом повреждении структур глаза. Тем не менее наблюдаемые более высокие значения уровня цитокинов в стекловидном теле в опытных группах могли быть обусловлены не столько повреждением клеток сетчатки, сколько реакцией цилиарного тела с проникновением в стекловидное тело клеток, являющихся основными источниками продукции исследуемых цитокинов.

При облучении ЭМИ СВЧ были выявлены отдельные случаи изменений не только в экспонируемом глазном яблоке, но и в парном (случаи начальных помутнений хрусталика и клеток в ПК при более длительных экспозициях). С учетом того что использованное ЭМИ СВЧ с длиной волны 7,55 см (частота 3,97 ГГц) может проникать на глубину до 4—5 см, а также малого количества выявленных случаев изменений в парном глазном яблоке, делать вывод, что найденные при исследовании изменения были вызваны именно воздействием СВЧ-излучения, не представляется возможным. Хотя не исключено, что используемая ППЭ 1,0 Вт/см² при достаточном времени экспозиции могла спровоцировать наблюдаемые изменения.

Таким образом, проведенное исследование показало, что при воздействии на орган зрения ЭМИ СВЧ с ППЭ 1,0 Вт/см² развиваются дозозависимые эффекты не только в хрусталике, но и в других структурах органа зрения, при этом нарушается целостность гематоофтальмического барьера, а в воспалительный процесс вовлекаются структуры как переднего, так и заднего сегмента глаза.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования: А.С., С.А.

Сбор и обработка материала: С.А., А.С.

Статистическая обработка: А.С.

Написание текста: А.С.

Редактирование: С.А.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflicts of interest.

Сведения об авторах

Суетов А.А. — канд. мед. наук, ст. науч. сотр. НИИЦ МБЗ ФГБУ «Государственный научно-исследовательский испытательный институт военной медицины» МО РФ; e-mail: ophtalm@mail.ru; https://orcid.org/0000-0002-8670-2964

Алекперов С.И. — канд. мед. наук, начальник отдела НИИЦ МБЗ ФГБУ «Государственный научно-исследовательский испытательный институт военной медицины» МО РФ; e-mail: salekperov@rambler.ru; https://orcid.org/0000-0002-1612-8100

Автор, ответственный за переписку: Суетов Алексей Александрович — e-mail: ophtalm@mail.ru; https://orcid.org/0000-0002-8670-2964