Энергия физических факторов давно и успешно применяется в различных направлениях медицинской практики. Особое место среди них занимает физиотерапия - применение физических факторов в лечебно-профилактических и реабилитационных целях. Современная медицина активно использует их в ряде новых методов и технологий, которые являются пограничными для классической физиотерапии. К числу таких методов в первую очередь относятся:

а) ударно-волновая терапия - метод экстракорпорального воздействия на ткани организма акустическими импульсами значительной амплитуды или ударными волнами [1, 2];

б) фотодинамическая терапия - метод, включающий два компонента, одним из которых является накапливающийся в ткани фотосенсибилизатор, а другим - мощное лазерное (световое) излучение определенной длины волны [3, 4];

в) методы, основанные на использовании энергии физических факторов (ультразвук, магнитное поле, свет и др.) для создания в мембране клетки пор, обеспечивающих повышение ее проницаемости для различных веществ [5-7].

Основной отличительной особенностью представленных методов является использование физических факторов значительно большей мощности, чем в физиотерапии.

В последние годы весьма активно разрабатывается электропорационная терапия, которую можно считать особой разновидностью лекарственного электрофореза. Данный метод менее известен физиотерапевтам и курортологам, что и послужило мотивом для подготовки настоящей обзорной статьи.

Электропорация - образование пор в биологических объектах (мембранах клеток, коже и др.) под действием высокоинтенсивного короткоимпульсного электрического поля. Вначале речь шла только о клеточных мембранах, а сегодня метод распространен на многие ткани, прежде всего на кожу. Изменения свойств клеточной мембраны под действием электрического поля обусловлены особенностями поведения ее липидного бислоя [8, 9]. При этом предполагается следующая последовательность событий под действием импульсного электрического поля: первичные конформационные изменения липидов бислоя (нарушение ориентации диполей), увеличение имеющихся и возникновение новых гидрофобных пор, развитие последних в более стабильные вторичные гидрофильные поры [10]. Размеры гидрофильных пор изменяются во времени в зависимости от силы и продолжительности электрического воздействия, что определяет дальнейшую судьбу мембраны и клетки в целом: либо «затягивание» пор и восстановление исходной (низкой) проницаемости клеточной мембраны, либо необратимые изменения вплоть до гибели клетки.

Для образования пор необходимо, чтобы параметры используемого электрического поля превышали пороговые значения, которые широко варьируют у различных клеток. Как правило, порог для дестабилизации клеточной мембраны увеличивается с уменьшением радиуса клетки. Поэтому электропорация бактериальных клеток требует большей напряженности электрического поля, чем это необходимо для повышения проницаемости клеток млекопитающих [5]. В зависимости от типа клеток и размеров молекул, которые необходимо доставить в клетку, диапазон напряженности поля может варьировать от 100 В/см до нескольких тысяч, а продолжительность импульса изменяется от 100 мкс до 10 мс. Для доставки лекарств в клетки человека и всех млекопитающих достаточно эффективны поля напряженностью 1000 В/см и длительностью импульса 100 мкс, в то время как для транспорта генов необходимы поля более низкой напряженности, но более продолжительные импульсы [11].

Связь между этими дозиметрическими параметрами электрического поля и вызываемыми ими эффектами схематически представлена на рис. 1 [11].

При исследовании действия электрического поля, например, на мембраны эритроцитов установлено, что все импульсы вызывают их электропорацию, порог которой не зависит от формы подаваемых стимулов. При подаче двух импульсов наблюдается неаддитивность скоростей убывания числа эритроцитов в результате электропорации: два разнополярных стимула вызывали больший эффект по сравнению с двумя однополярными [12]. Различными авторами показано, что на процесс электропорации кроме дозиметрических параметров электрического поля влияют такие факторы, как размер и форма клеток, толщина и проводимость мембраны, а также механическое напряжение на ней [13, 14].

При электропорации первичным биофизическим процессом является наведение трансмембранного потенциала импульсами внешнего электрического поля с последующим пробоем мембраны и образованием липидных пор [15]. Согласно В.Ф. Антонову, с точки зрения проницаемости липидные поры принципиально отличаются от белковых каналов своим происхождением и исключительной динамичностью. В то время как белковые каналы имеют строго определенные размеры, сохраняющиеся в течение всей жизни клетки, величина липидных пор в процессе затекания варьирует в широких пределах [16]. Однако эта изменчивость имеет ограничения. Если радиус поры меньше критического, то в процессе затекания она должна пройти все промежуточные размеры и достигнуть минимального. Предполагается, что полному затягиванию липидных пор препятствуют мощные силы гидратации, проявляющиеся при сближении стенок гидрофильных пор [17].

Липидные поры в отличие от белковых ионных каналов не обладают выраженной избирательностью, что коррелирует с их сравнительно большими исходными размерами (радиус до 4 нм). Липидные поры могут использоваться клеткой для транспорта высокомолекулярных веществ, ионов и молекул воды.

В отличие от твердых диэлектриков поры в мембранах живых тканей способны быстро (примерно через 30 с) исчезать после прекращения действия импульсного электрического поля без остаточных изменений исходной проницаемости клеток (обратимая электропорация). При обратимой электропорации клеткам удается пережить процесс повышения проницаемости, который и может быть использован для доставки в клетку различных химических и биологических ингредиентов. Через образующиеся при электропорации отверстия могут свободно проникать молекулы различных химических соединений, лекарственных препаратов и биологически активных веществ, которые в норме не способны или слабо проходят через поверхностную мембрану клетки. Эффект обратимой электропорации используется в биотехнологических исследованиях, генной терапии и активной электрофармакотерапии.

При воздействии на дефектные клетки и использовании мощных импульсов электрического поля возникает необратимая электропорация, характеризующаяся возникновением пор больших размеров и повышением проницаемости клеточных мембран, приводящих к гибели клеток. Необратимая электропорация находит все большее применение в онкологии для лечения некоторых форм злокачественных новообразований.

Точный механизм электропорации до сих пор еще неизвестен, хотя данное явление уже используется в биотехнологии и медицине. Как уже отмечалось, предполагается, что в бислойной липидной мембране под действием высокоинтенсивных электрических импульсов происходит локальная обратимая перестройка ее структуры, приводящая к появлению сквозного водного канала. Возможны две основные конфигурации пор: гидрофильная и гидрофобная. В гидрофильных порах стенки образованы фосфолипидными «головками», а в гидрофобных - липидными «хвостами». При малых радиусах энергетически выгодными являются гидрофобные поры, а при больших - гидрофильные. В зависимости от параметров электрического импульса динамика образовавшихся пор может быть различной. Важно то, что поры в мембранах живой ткани способны сравнительно быстро исчезать после прекращения действия физического фактора. Вместе с тем времени существования пор, как показали исследования, достаточно для повышенного проникновения в клетку необходимых лекарств или терапевтических биологических субстанций.

Исследования, выполненные на роговом слое кожи человека, который является основным барьером для транспорта веществ, показали, что высоковольтные электрические импульсы вызывают электропорации в нем. При этом в зависимости от параметров воздействия и состояния кожи электропорации рогового слоя также могут быть обратимыми или необратимыми [18].

В общем виде принцип электропорации иллюстрирует рис. 2.

Во многих странах выпускаются аппараты для электропорации с различным целевым назначением. Наиболее многочисленную группу составляют аппараты, предназначенные для использования в косметологии и дерматологии. Сведения о важнейших из них приведены в таблице.

Многие из предназначенных для использования в косметологии аппаратов являются комбайнами, обеспечивающими наряду с электропорацией проведение и ультрафонофореза, массажа, криотерапии, оксигенотерапии, пилинга и др. К числу таких аппаратов относятся: BHS 030, BHS 010 (Аргентина), EPUS (Южная Корея), NV-CR 200B (Китай), Body Beauty Clinic Ultrasound (Италия), Mesoderma (Италия), Derma S (Южная Корея), ES-9090 (Китай), RF Zone (Испания) и др. Наиболее часто для электропорации в косметологии используют три вида аппаратов: MesoDerma, Infusion и МЕТА-ТДS.

Известен ряд аппаратов для электропорации, которые используются в биотехнологии и онкологии: NanoKnife system и Genetronics (США), Cliniporator (1-5000 Гц, 100-1000 В, 100 мкс, Италия) и др. К аппаратам предложено большое разнообразие конфигураций электродов, которые широко используются в медицинских исследованиях [11].

Описан ряд экспериментальных образцов аппаратов, позволяющих проводить электропорацию в различных областях биологии и медицины [13, 18-20]. Отдельного упоминания заслуживает установка для проведения комбинированной процедуры электропорации и сонопорации [10]. Авторы для повышения эффективности проницаемости клеток и увеличения их жизнеспособности предложили аппарат, обеспечивающий контролируемое комбинированное воздействие импульсными электрическими полями (напряженностью от 1 до 7 кВ/см) и акустическими волнами (амплитудой до 100 МПа). Принцип работы известных на сегодня электропораторов основан на накоплении заряда на конденсаторе с его последующим разрядом через биологическую нагрузку (клетку, орган или ткань).

Электропорация уже достаточно давно используется в различных биотехнологических процессах (методах): инициирование слияния и сортировки клеток, доставка в них экспрессирующих генных конструкций, биологических пейсмекеров, вакцин и др. [5, 7, 11, 19, 21-24].

В последние годы она находит применение в различных областях медицины, прежде всего в онкологии, дерматологии и косметологии. Использование электропорации в лечебно-профилактических целях называют электропорационной терапией.

Электропорационная терапия может проводиться ex vivo и in vivo. Для терапии ex vivo аутогенные или гетерогенные клетки, взвешенные в водных растворах, смешивают с лекарственным веществом. Такая суспензия помещается между электродами, а затем подвергается воздействию короткими высоковольтными электрическими импульсами. «Загруженные» большим количеством лекарства клетки либо дальше обрабатываются перед назначением пациенту, либо могут быть непосредственно введены больному.

В фармакотерапии в качестве носителей лекарственных веществ перспективным считается использование эритроцитов. Такой способ терапии может применяться для коррекции ферментопатий, удаления из крови токсичных соединений, в химиотерапии онкологических заболеваний [25]. Среди методов включения веществ в эритроциты получила распространение электропорация. Процедура электропорации сводится к следующему: из исходной донорской крови готовят суспензию эритроцитов, которую затем инкубируют в среде, включающей изотонические растворы натрия хлорида и сахарозы, далее ее с гематокритом 10-20% смешивают с лекарственным препаратом, который требуется «запечатать» в клетку, и подвергают воздействию одиночного электрического импульса при 25 °C, после охлаждения суспензии до 4 °C и инкубации осуществляют спонтанное закрытие пор в осмотически сбалансированной среде при 37 °C. В результате такой обработки эритроциты становятся практически неотличимыми от контрольных как по форме и объему, так и по активности трансмембранного транспорта и жизнеспособности [26].

Исследование фармакокинетики эритроцитов, нагруженных белковыми и антрациклиновыми препаратами, показало, что время их жизни после введения в кровоток составляет 3-4 нед. Это срок, который в десятки раз превышает продолжительность циркуляции препаратов в кровотоке, если они вводятся в него непосредственно. К тому же использование «загруженных» эритроцитов резко снижает побочные эффекты лекарственных веществ.

При терапии in vivo лечебный агент назначается для системного применения или же локально, а затем область патологического очага (например, опухоль) подвергается электропорационному воздействию, которое должно быть синхронизировано с сердечным ритмом во избежание развития аритмии. Наличие у пациента аритмии и искусственного водителя ритма является противопоказанием к проведению электропорации. Как показывают исследования, электропорация опухоли может увеличить внутриклеточную концентрацию препарата до уровня, который во много раз превышает тот, который обычно наблюдается при традиционной фармакотерапии [6, 7, 11]. Поэтому высокие внутриклеточные концентрации могут быть достигнуты в электропорированных клетках опухоли при относительно низких внеклеточных накоплениях препарата. Так как электропорация расширяет поры и увеличивает проницаемость клетки кратковременно, то препарат, который проник в нее, попадает в ловушку, из-за того, что пропускаемость быстро восстанавливается (становится низкой), таким образом значительно увеличивается внутриклеточное пребывание лекарственного вещества, удлиняется его фармакотерапевтическое действие. В конечном счете это приводит к созданию высокой фармакотерапевтической активности лекарственного вещества при отсутствии системных токсических и побочных реакций. Такой подход наиболее активно апробируется в отношении лечения злокачественных новообразований как в эксперименте, так и в клинике.

Первое сообщение, предвещавшее потенциально широкое терапевтическое использование электропорации, было опубликовано M. Okino и H. Mohri [27]. В нем авторы сообщили о лечении мышей-опухоленосителей с помощью инъекций блеомицина, существенное замедление роста новообразования наблюдалось только тогда, когда оно после назначения химиопрепарата было подвергнуто электропорации. С тех пор в различных странах стали пытаться использовать электропорационную терапию в лечении злокачественных опухолей у животных и человека, применяя различные комбинации химиотерапевтических средств и вариации проведения электропорации. Приведем для иллюстрации хотя бы некоторые экспериментальные и клинические данные.

В экспериментах на мышах с трансплантированной аденокарциномой поджелудочной железы сравнивали эффективность лечения только блеомицином (контроль) и его сочетанием с электропорацией (1300 В/см, 6 импульсов по 99 мкс каждый с интервалом в 1 с). Через 28 дней после электрохимиотерапии почти полную регрессию опухоли наблюдали у 90% мышей. Через 77 дней после начала лечения полная регрессия без прощупывания опухоли наблюдалась в 66% случаев. У 20% мышей наблюдался вторичный рост опухоли через 35 дней после лечения, но в гораздо более медленном темпе по сравнению с контролем.

Авторы повторили эксперимент с неокарциностатином, который также продемонстрировал высокую эффективность электрохимиотерапии у мышей с крупноклеточной опухолью легких. При этом показано, что лечение с применением электропорации после инъекции препарата более эффективно, чем при введении неокарциностатина после электропорации [28].

И.В. Мизгирев и соавт. изучали действие электрохимиотерапии (сочетание блеомицина и электропорации) на рост меланомы В16 и карциномы Эрлиха у мышей. Электропорация проводилась при напряженности электрического поля 1000-1200 В/см и продолжительности импульса 100 мкс. В результате исследований установлено, что электрохимиотерапия вызывала остановку роста опухоли независимо от дозы блеомицина. Более существенно электропорация с блеомицином влияла на рост карциномы Эрлиха. При высокой дозировке блеомицина (1000 мг) метод у 7 из 10 мышей с меланомой вызывал полную ремиссию и только у 3 животных наблюдался рецидив через 129 дней после электрохимиотерапии [29].

Описано успешное лечение меланомы В16/F10 у мышей путем электропорации гена, кодирующего интерлейкин-12. Сравнивалось внутриопухолевое (напряженность электрического поля 1500 В/см, продолжительность импульса 100 мкс) и внутримышечное (напряженность электрического поля 100 В/см, продолжительность импульса 20 мс) введение рекомбинантного белка. При внутриопухолевой электрохимиотерапии излечение наблюдалось у 47% мышей, а 70% излеченных животных стали резистентными к клеткам меланомы. При внутримышечной электрохимиотерапии регресс опухоли отсутствовал [30].

Эффективность электропорации с блеомицином продемонстрирована в исследовании, проведенном на кошках с окологлазной карциномой и запущенным плоскоклеточным раком. Эффект после электропорационной терапии отмечен в 89% случаев (у 21 животного имелась необратимая реакция, у 2 - частичная), в то время как в контроле (лечение только блеомицином) - только у 33% кошек. Среднее время прогрессии в группе электрохимиотерапии составляло 30,5 мес, а в контроле - 3,9 мес (р<0,0001) [31].

Электропорация достаточно активно используется и в клинических условиях, главным образом при поверхностно расположенных опухолях и метастазах.

Д.Н. Панченков и соавт. использовали необратимую электропорацию (нетепловую абляцию) метастазов колоректального рака в печень. На основании проведенного анализа данных ультразвукового, клинико-лабораторного и патогистологического исследований доказана высокая эффективность метода, а также безопасность его для сосудистых и протоковых структур печени [32]. Другими авторами в экспериментах на свиньях и крысах также показано, что необратимая электропорация вызывает абляцию тканей, не повреждая стенки крупных сосудов и эндотелий [33, 34].

Японскими авторами необратимая электропорация использовалась для абляции у пациентов с гепатоцеллюлярной карциномой со средним диаметром 17,5±6,3 мм. У 83% больных опухоль была успешно излечена без рецидивирования (срок наблюдения 244±55 дней). При использовании электропорации у пациентов наблюдались лишь нетяжелые осложнения [35]. R. Cheng и соавт. наблюдали у 5 из 6 пациентов с гепатоцеллюлярной карциномой после электропорации полный некроз опухоли без каких-либо признаков ее жизнеспособности. И лишь у 1 больного было обнаружено менее 5% жизнеспособных опухолевых клеток на периферии [36]. Результаты применения необратимой электропорации (аппарат Nanoknife) у пациентов с гепатоцеллюлярной карциномой свидетельствовали не только об эффективности метода, но и о его сопоставимости с данными использования радиочастотной абляции [37]. Необратимая электропорация применялась при лечении 65 околососудистых злокачественных опухолей печени у 38 пациентов. Через 6 мес после абляции в 1 случае наблюдались остаточные изменения в опухоли и в 3 - локальные рецидивы [34]. Имеются и другие сообщения об успешном применении электропорации и электрохимиотерапии при опухолях печени [38-40].

Необратимая электропорация и электрохимиотерапия применяются и при других локализациях злокачественных опухолей. U. Reinhold изучил применение электропорации с аппликациями небольших доз химиопрепаратов при кожных и подкожных опухолях и метастазах. На основании полученных данных автор считает метод простым, безопасным, эффективным и вполне приемлемым по стоимости [41].

S. Tafuto и соавт. проанализировали сведения о клинической эффективности электрохимиотерапии с использованием электропорации (аппарат Cliniporator) при раке поджелудочной железы и метастазах в печень [42]. Они пришли к выводу о высокой эффективности, простоте и доступности данного метода при указанной патологии. Другие авторы также указывают на эффективность электропорационной терапии при раке поджелудочной железы, в том числе и при его нерезектабельных формах [43-45].

Имеется положительный опыт применения различных технологий электропорации при почечно-клеточной карциноме [46], раке предстательной железы [47, 48], меланоме кожи и ее метастазах [49, 50], опухолях мозга [51, 52].

Электропорация и электрохимиотерапия с блеомицином или цисплатином вызывают сначала краткосрочную вазоконстрикцию, а затем нарушение структуры цитоскелета и подавление барьерной функции эндотелия капилляров. Антиваскулярный эффект электрохимиотерапии используется при лечении метастазов меланомы: в 70-80% случаев наблюдалась необратимая реакция [53].

Метод электропорации в эксперименте успешно применен для лечения эмфиземы легких у мышей. Для электропорации использовался ген фактора роста кератиноцитов (KGF). Внутримышечная электропорация гена KGF сопровождалась стимуляцией пролиферации легочного эпителия и протекцией депрессии функции легких у мышей с моделированной эмфиземой [54]. Метод электропорационной терапии в экспериментальной и клинической медицине используется и по другим направлениям [51, 55-58].

Еще более активно электропорацию применяют для трансдермального переноса лекарственных веществ в дерматологии и косметологии.

В Центре медицинской косметологии ФГБОУ ВПО «Северо-Западный государственный медицинский университет им. И.И. Мечникова» Минздрава России изучали эффективность наружного лечения андрогенетической алопеции гиалуронатом цинка с использованием метода электропорации. Как показали исследования, при введении гиалуроната цинка методом электропорации в кожу волосистой части головы при андрогенетической алопеции увеличивается плотность волос, существенно меняется соотношение в сторону преобладания анагеновых волос, увеличивается диаметр и количество терминальных и толстых волос [59].

В косметологической практике наиболее часто пользуются следующей методикой электропорационной терапии: с помощью ультразвука или других манипуляций кожа очищается от омертвевших клеток и повышается ее проницаемость, затем манипула электропорационного аппарата заполняется раствором лекарственного вещества и проводится процедура электропорации (безыгольной мезотерапии). Продолжительность воздействия составляет 20-25 мин, на курс 8-10 процедур, 1-2 процедуры в неделю. Из лекарственных веществ в косметологии наиболее часто используют гиалуроновую кислоту и ее соли, а также антицеллюлитные препараты.

Показаниями для применения электропорации в косметологии являются следующие заболевания и состояния: морщины, сниженный тургор кожи, алопеция, рубцовые изменения, акне, целлюлит, состояние кожи после пилингов, угревая сыпь и др.

Электропорация противопоказана при эпилепсии, сахарном диабете, беременности, наличии кардиостимулятора, мерцательной аритмии, открытых ранах.

Электропорация является основным компонентом в комплексном методе, называемом аквафорезом (Aquaphoresis) и используемом для неинвазивного трансдермального переноса лекарственных веществ при коррекции возрастных изменений кожи, терапии целлюлита и ряда заболеваний.

Аквафорез включает следующие этапы:

а) стимуляция тканей лазерным излучением в красном и инфракрасном диапазонах;

б) электропорация;

в) электромиостимуляция и интерференцтерапия;

г) лимфодренаж.

Аквафорез используют в дерматологии, косметологии и пластической хирургии, неврологии, травматологии, спортивной и восстановительной медицине [60].

Для улучшения доставки лекарственных веществ (вазопрессина, нейротензина, кальцитонина) в кожу электропорацию сочетают с электрофорезом или ультразвуком [6, 61, 62].

Таким образом, предложен и активно разрабатывается новый электротерапевтический метод, основанный на использовании импульсного электрического поля высокой интенсивности и названный электропорацией. В зависимости от параметров физического фактора метод вызывает временное или необратимое образование пор и повышение проницаемости клеточной мембраны, сопровождающиеся различными изменениями клетки, вплоть до ее гибели. Электропорация уже находит применение в биотехнологии и медицине. В соответствии с известными механизмами действия электропорации и техническими возможностями метод пока наиболее широко используется в онкологии, дерматологии и косметологии. Являясь, по существу, представителем физических методов, электропорация должна более активно исследоваться, разрабатываться и применяться физиотерапевтами при нервных, внутренних, кожных и других заболеваниях. Обзоры последних лет [5, 24, 63-68] и проанализированные в них работы, думается, убедят заинтересовавшегося читателя в перспективах развития электропорационной терапии и использования ее в различных областях медицины.

Конфликт интересов отсутствует.