KLINICKÁ RADIOBIOLOGIE 160 10. INTERAKCIA MAGNETICKÝCH POLÍ S TKANIVAMI (Ján Sabo) Súčasná civilizácia vďačí za dosiahnutý stupeň vývoja technologickému využitiu magnetických polí. Magnetické polia umožňujú chod elektrických a spaľovacích motorov, strojov, automobilov, lodí, lietadiel a slúžia k prenosu, spracovaniu a uchovaniu informácií v telekomunikačnej technike, bankových identifikačných kartách a počítačoch. V technike sa magnetické polia stali jedným z rozhodujúcich nástrojov len v posledných sto rokoch. Do začiatku 20. storočia okrem využívania kompasu sa magnetické polia využívali len pri liečení ľudí. Napriek tomu až v posledných desaťročiach predovšetkým zásluhou diagnostickej magnetickej rezonancie, vývoja magnetoencefalografu, magnetokardiografu, magnetomyografu a rozširujúceho sa využitia v terapii si magnetické polia získavajú významnú pozíciu v zdravotníctve. Negatívna stránka vzťahu magnetických polí a zdravia ľudskej populácie obrátila na seba pozornosť po publikovaní epidemiologických prác v posledných 20 rokoch, ktoré dávajú do súvislosti expozíciu elektromagnetickými poľami, produkovanými vedeniami vysokého napätia, elektrospotrebičmi, telekomunikačnou technikou a zvýšeným výskytom nádorom u detí a ľudí vystavených pôsobeniu magnetických polí. Z uvedených dôvodov pre pracovníkov v zdravotníctve v XXI. storočí je nevyhnutná základná orientácia v teórií magnetizmu a interakcii magnetických polí s živou hmotou. 10.1 Elektromagnetické polia Elektromagnetické pole, ktoré vzniká pri prenose energie elektromagnetickým vlnením, je charakterizované vektorom intenzity elektrického poľa E (x,y,z,t) a vektorom intenzity magnetického poľa H (x,y,z,t). Javy, ktoré vznikajú pri zmenách elektrického a magnetického poľa, sú symetrické. Meniace sa magnetické pole utvára pole elektrické a meniace sa pole elektrické utvára pole magnetické. Vektory intenzity E a H sú navzájom kolmé. Ak pre vlastnosti poľa sú rozhodujúce charakteristiky vektora intenzity E, hovoríme o elektrickom poli. V elektrostatickom poli sa vektor intenzity E nemení v čase. Ak pre vlastnosti poľa sú rozhodujúce charakteristiky vektora intenzity H, hovoríme o magnetickom poli. V stacionárnom magnetickom poli vektor intenzity H nezávisí od času. Magnetické pole, ktorého magnetické indukčné čiary sú rovnobežné priamky, nazývame homogénne magnetické pole. Zdrojom stacionárneho magnetického poľa je nepohybujúci sa vodič s konštantným prúdom alebo nepohybujúci sa permanentný magnet. Polia sú najčastejšie charakterizované svojimi silovými účinkami na hmotu. Elektrické pole s intenzitou E pôsobí na nepohybujúci sa náboj Q umiestnený do poľa silou F E F E = E Q.
KLINICKÁ RADIOBIOLOGIE 161 Intenzita homogenného elektrického poľa E je určená vzťahom U E =, d kde U je napätie vo voltoch a d je vzdialenosť dvoch bodov v metroch, medzi ktorými je dané napätie. Z toho vyplýva jednotka intenzity elektrického poľa Vm -1. Na rozdiel od elektrického poľa magnetické pole pôsobí silou len na pohybujúci sa náboj. Sila je priamo úmerná veľkosti náboja a jeho rýchlosti F M = B Q v siná, kde B je fyzikálna veličina, ktorá kvantitatívne charakterizuje magnetické pole, nazývaná magnetická indukcia a α je uhol, ktorý zviera okamžitá rýchlosť náboja v so smerom magnetických indukčných čiar. Z predchádzajúceho vzťahu pre magnetickú indukciu vyplýva F B = M Q v siná. Z rovnice odvodíme jednotku magnetickej indukcie [FM ] N [B] = = [Q] [v] [sinα] C m s 1 = N A m = N A 1 m 1 = T Jednotku magnetickej indukcie nazývame tesla, T. Medzi intenzitou magnetického poľa H a magnetickou indukciou B, ktorá charakterizuje silový účinok poľa, platí vzťah B = ì H, kde µ je konštanta, ktorá charakterizuje prostredie, v ktorom sa magnetické pole nachádza. 7 2 Nazýva sa permeabilita prostredia. Vákuum má permeabilitu ì = 4ð 10 N A. Permeabilita prostredia často vyjadrujeme pomocou relatívnej permeability µ r, ktorá je určená vzťahom o
KLINICKÁ RADIOBIOLOGIE 162 ì ì r =. ì o Relatívna permeabilita je bezrozmerné číslo, ktoré udáva, koľkokrát väčšia je permeabilita istého látkového prostredia ako permeabilita vákua. 10.2 Zdroje magnetického poľa 10.2.1 Permanentný magnet Železné piliny utvárajú v okolí permanentného magnetu rovinný obrazec, ktorý pripomína istú sústavu čiar. V miestach, kde je magnetická indukcia poľa najväčšia, je aj najväčšia hustota čiar. Permanentný magnet má severný pól, z ktorého vychádzajú magnetické indukčné čiary a južný pól, do ktorého vstupujú. Obr. 10.1 - Vizuálne zobrazenie magnetických indukčných čiar pomocou železných pilín rozsypaných na liste papiera, ktorý je položený na magnete S N N S Obr. 10.2 - Magnetické pole tyčového magnetu (N = sever, S = jih)
KLINICKÁ RADIOBIOLOGIE 163 Permanentn ý magnet je zdrojom stacionárneho magnetického poľa. Rovnaké póly 2 magnetov sa odpudzujú, opačné sa priťahujú. 10.2.2 D lhý, priamy vodič s prúdom Magnetické indukčné čiary v okolí priameho vodiča s prúdom majú tvar koncentrických kružníc, v strede ktorých sa nachádza vodič. Smer indukčných čiar sa určuje Ampérovým pravidlom pravej ruky: Ak uchopíme vodič do pravej ruky tak, aby palec ruky ukazoval dohodnutý smer prúdu vo vodiči, potom zahnuté prsty ukazujú orientáciu magnetických indukčných čiar. I Obr. 10. 3 - Aplikácia Ampérovho pravidla pravej ruky na určenie smeru magnetických indukčných čiar v okolí priameho vodiča, ktorým preteká elektrický prúd I Magnetická indukcia poľa v okolí priameho vodiča s prúdom je určená vzťahom: ì I B =, 2πr I je intenzita prúdu, ktorý preteká vodičom, r je vzdialenosť od vodiča, µ je permeabilita prostredia, π je Ludolfovo číslo.
KLINICKÁ RADIOBIOLOGIE 164 10.2.3 Magnetické pole cievky Navinutím vodiča na valec, ktorého dĺžka je oveľa väčšia v porovnaní s priemerom, získame cievku nazývanú solenoid. Magnetické pole vo vnútri solenoidu je takmer homogénne. Obr. 10.4 - Magnetické pole solenoidu, ktorým preteká konštantný prúd I vzťah: Pre magnetickú indukciu vo vnútri nekonečne dlhej valcovej cievky vo vákuu, platí B o NI = ìo, l µ o je permeabilita vákua, N je počet závitov, I je prúd, ktorý preteká cievkou, l je dĺžka cievky. Ak valec, na ktorý navinieme vodič, má tvar prstenca, získame toroidnú cievku. Magnetické pole toroidnej cievky je sústredené iba v dutine cievky. R Obr. 10. 5 - Toroidná cievka
KLINICKÁ RADIOBIOLOGIE 165 10.2.4 Magnetické pole Zeme Naša planéta Zem tvorí veľký magnet, ktorého magnetické pole obklopuje celú zemeguľu, na ktorej žijeme. O existencii magnetického poľa Zeme sa môžeme ľahko presvedčiť pomocou kompasu. Strelka kompasu je tvorená permanentným magnetom v tvare ihly, ktorý môže voľne rotovať okolo osi otáčania. Strelka kompasu sa otočí tak, aby severný pól magnetu strelky kompasu ukazoval na severný geografický pól Zeme. Magnetické pole Zeme je schematicky zobrazené na ďalšom obrázku. Keďže magnetické indukčné čiary vystupujú zo severného magnetického pólu a vstupujú do južného magnetického pólu, je zrejmé, že severný geografický pól Zeme zodpovedá južnému magnetickému pólu zeme a južný geografický pól zodpovedá severnému magnetickému pólu Zeme. Severný geografický pól Južný magnetický pól Južný geografický pól Severný magnetický pól Obr. 10.6 - Magnetické pole Zeme Napriek skutočnosti, že sa magnetické pole Zeme skúma už viac ako 400 rokov, nemá súčasná fyzika jednoznačnú odpoveď na otázku, aký je fyzikálny mechanizmus vzniku a udržiavania magnetického poľa Zeme. Podľa súčasných predstáv kvapalné jadro Zeme zložené z železoniklových rúd sa správa ako hydrodynamické dynamo. Pomocou rozdielu v rotačnej rýchlosti jadra a plášťa mechanická energia pomaly rotujúceho jadra sa mení na magnetické pole. Priestor okolo Zeme, v ktorom sa prejavujú účinky magnetického poľa Zeme, nazývame magnetosféra. Magnetosféra sa podieľa na zadržaní väčšiny druhov kozmického žiarenia, ktoré by malo fatálny účinok na súčasné formy života na Zemi. Veľkosť magnetickej indukcie magnetického poľa Zeme sa pohybuje v intervale od 10 do 100 µt.
KLINICKÁ RADIOBIOLOGIE 166 Veľkosť magnetického poľa sa mení v priestore a čase. Celkové magnetické pole Zeme môžeme rozdeliť na: a) vnútornú časť poľa rozloženie a zmeny poľa určujú vlastnosti hmoty Zeme. Zahŕňa lokálne variácie poľa, opakujúce sa v priebehu storočí, inverziu magnetickej polarity Zeme, ktorá podľa geologických meraní sa vyskytuje každých 500 000 rokov (posledná inverzia magnetických pólov Zeme sa uskutočnila pred 10 000 rokmi), putovanie geomagnetických pólov; b) vonkajšia časť poľa rozloženie a zmeny tejto časti poľa sú výsledkom činnosti Slnka. Prejavuje sa dennými, mesačnými a ročnými variáciami, pulzami a geomagnetickými búrkami. Za geomagnetickú búrku sa označuje jav, keď dochádza k relatívne významným zmenám geomagnetického poľa v dôsledku činnosti Slnka. Náhly začiatok búrky je charakterizovaný nárastom geomagnetického poľa v priebehu 2 až 6 minút. Magnetická indukcia poľa Zeme sa mení o 20 až 30 nt. Hlavná fáza búrky je sprevádzaná poklesom veľkosti poľa o 50 100 nt a následovným pomalým návratom k pôvodnej hodnote v priebehu 1 až 3 dni. Fyzikálnou podstatou javu sú nárazy slnečného vetra, t.j. častíc uvoľnených erupciami na Slnku, predovšetkým protónov, na magnetosféru Zeme. Význam magnetického poľa Zeme pre život ľudskej populácie bol preukázaný pri cestách kozmonautov do vesmíru a súvisiacom vesmírnom výskume. Podľa výskumov uskutočnených v USA dochádza u dobrovoľníkov umiestnených v priestore, ktorý bol dokonale izolovaný od vplyvu magnetického poľa Zeme, postupne k rozvráteniu prirodzených biologických rytmov v priebehu prvých dní experimentu. Na poruchy rytmu naväzovali poruchy v duševnej a telesnej oblasti, s rastúcou intenzitou počas priebehu experimentu. Komplexné poruchy látkovej premeny sa prejavovali extrémnou únavou, bolesťami hlavy a poruchami motoriky. Živé systémy v priebehu evolúcie trvalo ovplyvňoval geomagnetizmus. Niektorým druhom sa dokonca vyvinula osobitná magnetosenzitivita na magnetické indukčné čiary Zeme a využívajú ju najmä pri špecifickej orientácii v priestore. Magnetosenzitivita sa vysvetľuje prítomnosťou feromagnetických zlúčenín v špecifických receptoroch, ktoré komunikujú s nervovou sústavou organizmov. Ak pripevníme poštovým holubom na hlavu miniatúrny magnet, ktorý odtieni geomagnetické pole, potom nenájdu cieľ cesty. Podobne migrujúce vtáky a ryby sa orientujú podľa magnetického poľa Zeme. 10.3 Magnetické vlastnosti látok Látky môžu reagovať na magnetické pole rozdielnym spôsobom. Fyzikálna veličina, ktorá charakterizuje všetky fyzikálne objekty, ktoré utvárajú vo svojom okolí magnetické pole, sa nazýva magnetický moment. Magnetický moment závitu vodiča, ktorým preteká elektrický prúd, je určený vzťahom: m = I S
KLINICKÁ RADIOBIOLOGIE 167 m magnetický moment, I intenzita prúdu, S obsah plochy, ktorú ohraničuje závit. Každý elektrón, ktorý je súčasťou atómu, má magnetický moment. Výsledný magnetický moment atómu je daný vektorovým súčtom magnetických momentov jeho elektrónov. Diamagnetické látky sa skladajú z diamagnetických atómov, ktoré majú výsledný magnetický moment rovný nule. Paramagnetické látky sa skladajú z paramagnetických atómov, ktoré majú nenulový výsledný magnetický moment. Ak umiestnime diamagnetickú látku do vonkajšieho magnetického poľa, v diamagnetických atómoch a molekulách sa indukujú magnetické momenty, ktoré majú opačný smer ako vonkajšie magnetické pole. Výsledkom je zoslabenie pôvodného vonkajšieho magnetického poľa v diamagnetickej látke. Graficky si zobrazujeme vlastnosť diamagnetických látok pomocou vytláčania magnetických indukčných čiar z diamagnetickej látky. Obr. 10.7 - Magnetické indukčné čiary sú vytláčané z diamagnetickej látky Diamagnetické látky majú relatívnu permeabilitu menšiu ako 1. V neprítomnosti vonkajšieho magnetického poľa magnetické momenty paramagnetických atómov a molekúl sú orientované chaoticky. Výsledkom je, že paramagnetická látka ako celok nevykazuje magnetické vlastnosti. Ak umiestnime paramagnetickú látku do vonkajšieho magnetického poľa, magnetické momenty atómov a molekúl sa snažia zorientovať v smere vonkajšieho poľa. Výsledkom je zosilenie vonkajšieho magnetického poľa v paramagnetickej látke, keďže k vonkajšiemu magnetickému poľu sa pridajú súhlasne orientované magnetické polia paramagnetických atómov a molekúl. Graficky si môžeme vlastnosť paramagnetických látok zobraziť pomocou koncentrovania magnetických indukčných čiar v paramagnetickej látke.
KLINICKÁ RADIOBIOLOGIE 168 Obr.10.8 - Magnetické indukčné čiary sú koncentrované v paramagnetickej látke Paramagnetické látky majú relatívnu permeabilitu väčšiu ako 1. Diamagnetické látky nepatrne zoslabujú a paramagnetické látky nepatrne zosilňujú vonkajšie magnetické pole. Feromagnetické látky naproti tomu výrazne, až 1000 násobne zosilňujú vonkajšie magnetické pole. Feromagnetické látky sa skladajú z paramagnetických atómov a molekúl rovnako ako paramagnetické látky. Na rozdiel od paramagnetických látok paramagnetické atómy alebo molekuly vo feromagnetickej látke v určitých oblastiach, ktoré nazývame domény, pomocou výmenných síl zorientujú sa v jednom smere. Feromagnetická látka sa skladá z domén, v ktorých magnetické momenty atómov alebo molekúl usporiadané jedným smerom. Avšak magnetické momenty jednotlivých domén sú usporiadané chaoticky. Ak vložíme feromagnetickú látku do vonkajšieho magnetického poľa, objem domén orientovaných v smere vonkajšieho poľa narastá a pri istej veľkosti magnetickej indukcie vonkajšieho magnetického poľa sa magnetické momenty všetkých atómov alebo molekúl usporiadajú v smere vonkajšieho magnetického poľa. Látka je magneticky nasýtená a 100 až 1000 násobne zosilňuje vonkajšie magnetické pole, keďže k magnetickým indukčným čiaram vonkajšieho poľa sa pridajú magnetické indukčné čiary jednotlivých elementárnych magnetov, z ktorých sa látka skladá. Bunková cytoplazma má diamagnetickú povahu, krv sa v magnetickom poli správa ako paramagnetická látka. V dôsledku rozdielnych magnetických vlastností telových kvapalín stacionárne magnetické pole spôsobuje zmeny osmotických tlakov v tkanivách. 10.4 Magnetické, elektrické a elektromagnetické polia v životnom prostredí Kladne nabitá ionosféra a záporne nabitý povrch Zeme tvoria elektrické pole Zeme, ktoré má hodnoty intenzity E v intervale 120-150 V/m, počas búrky až 20 000 V/m. Elektrostatické polia 20 000V/m sa vyskytujú tiež v blízkosti TV prijímačov, monitorov a iných zariadení, ktoré používajú vysoké napätie. Pod vedením vysokého napätia elektrické pole môže prekročiť hranicu 30 000 V/m a magnetická indukcia 22 µt v závislosti od intenzity prúdu, ktorý tečie vodičmi. Stacionárne geomagnetické pole môže nadobúdať hodnoty od 0,01 do 0,1 mt v závislosti od geografickej polohy a výskytu magnetických hornín v danej oblasti. Pracovníci, ktorí v zamestnaní používajú zariadenia využívajúce jednosmerný prúd, ako napríklad pri priemyselnom využití elektrolýzy, alebo vodiči elektrických lokomotív, sú
KLINICKÁ RADIOBIOLOGIE 169 vystavení magnetickému poľu s magnetickou indukciou do 50 mt, ktoré je až 1000 násobne silnejšie ako geomagnetické pole Zeme. Malé magnety, ktoré sa využívajú na upevnenie papierov na magnetické tabule, produkujú magnetické pole o veľkosti 1 10 mt do vzdialenosti 1cm od povrchu magnetu. Magnetické rezonančné tomografy, ktoré sa využívajú na diagnostiku v nemocniciach (magnetická rezonancia), pôsobia na pacientov magnetickými poľami do 2,5 T v závislosti na type prístroja. Zdravotnícki pracovníci, ktorí pracujú s jadrovými magnetickými rezonančnými tomografmi, sú exponovaní v zamestnaní poľami do 5 mt. V domácnostiach a v zamestnaní môžeme namerať hodnoty elektromagnetických polí produkovaných vedeniami elektrického napätia 220 V, 50 Hz o veľkosti E = 0,1 mv/m a B = 0,1 0,3 µt. Niektoré domáce elektrospotrebiče produkujú magnetické polia porovnateľné s geomagnetickým poľom Zeme s B = 50 150 µt. Veľkosť magnetickej indukcie prudko klesá s narastajúcou vzdialenosťou od zdroja. 10.5 Mechanizmy interakcie elektrických a magnetických polí so živou hmotou Ak elektrické a magnetické polia pozitívne pôsobia na zdravie pacientov pri magnetoterapii, poskytujú informácie o zdravotnom stave pacientov pri magnetickej rezonancii, alebo magnetické polia o určitých charakteristikách majú negatívne účinky na zdravie ľudí, nevyhnutne musia interagovať s biologickými molekulami, bunkami a tkanivami ľudského tela. Elektromagnetické polia môžu meniť ich tvar, veľkosť, náboj, chemický stav alebo energiu. 10.5.1 Interakcia stacionárnych magnetických polí Stacionárne magnetické polia sú takmer nerušené biologickými tkanivami ľudského tela a interagujú priamo s magneticky anizotropnými polarizovanými alebo feromagnetickými materiálmi a s pohybujúcimi sa nábojmi ľudského tela. Poznáme 3 základné mechanizmy, ktorými stacionárne magnetické polia interagujú s tkanivami ľudského tela: 10.5.1.1 Indukcia elektrických polí Na pohybujúcu sa časticu s nábojom q v magnetickom poli pôsobí sila F m, ktorej veľkosť je určená vzťahom F m = qvbsinα, v rýchlosť pohybujúceho sa náboja, B veľkosť magnetickej indukcie poľa, α - uhol, ktorý zviera magnetická indukcia so smerom rýchlosti.
KLINICKÁ RADIOBIOLOGIE 170 Stacionárne magnetické polia pôsobia silou F m na pohybujúce sa ióny v roztokoch ľudského tela a utvárajú indukované elektrické polia a prúdy v dôsledku Hallovho javu. Táto interakcia je základom magneticky indukovaných elektrických potenciálov v tečúcej krvi. Na základe výpočtov bola odhadnutá maximálna hodnota elektrického napätia, ktoré je generované na stenách aorty, na hodnotu 10 mv/t. Keď sa častica s nábojom pohybuje súčasne v elektrickom a magnetickom poli, pôsobí na ňu Lorentzova sila F L : F L = F e + F m = qe + qvbsinα. Lorentzova sila zakrivuje dráhu pohybujúceho sa náboja, čo vyvoláva zmenu distribúcie iónov v pohybujúcich sa telových tekutinách. Stacionárne magnetické pole rovnako pôsobí fyzikálnou silou na tečúcu krv, ktorá je proporcionálna iónovému vodivému prúdu a magnetickej indukcii poľa. Výsledkom pôsobenia uvedených síl je pokles rýchlosti prúdenia krvi a vzrast krvného tlaku, čo označujeme termínom magnetohydrodynamický efekt. V dôsledku magnetohydrodynamického efektu na základe teoretických výpočtov predpokladáme nárast tlaku krvi o 28% v magnetickom poli o magnetickej indukcii 10 T. 10.5.1.2 Magnetomechanický efekt Vonkajšie magnetické pole interaguje s neskompenzovanými magnetickými momentami prvkov a molekúl. Homogénne stacionárne magnetické pole produkuje momenty síl na určité molekuly a feromagnetické materiály v ľudskom tele, ktoré sa snažia otočiť magnetický moment molekuly do smeru vonkajšieho magnetického poľa. Veľkosť momentu síl je daná vzťahom: M = mbsinα, m magnetický moment molekuly, B magnetická indukcia vonkajšieho magnetického poľa, α - uhol, ktorý zvierajú vektory magnetického momentu a magnetickej indukcie.
KLINICKÁ RADIOBIOLOGIE 171 α m B V prípade, ak atómy s neskompenzovanými magnetickými momentami sú súčasťou koenzýmov alebo prostetických skupín proteínov, uvedená interakcia môže zapríčiniť zmenu rýchlosti enzymatickej reakcie. Aby sa prejavil uvedený efekt na rýchlosť enzymatickej reakcie, nevyhnutne magnetická indukcia vonkajšieho magnetického poľa musí prekročiť prahovú hodnotu, aby potenciálna energia magnetického dipólu molekuly v magnetickom poli bola porovnateľná s kinetickou energiou molekuly substrátu a enzýmu. Potenciálna energia magnetického dipólu v magnetickom poli je daná vzťahom: U = - m.b = -mbcosα Prekročenie prahovej hodnoty magnetickej indukcie magnetického poľa vyvoláva prednostnú orientáciu magnetických momentov molekúl pozdĺž magnetických indukčných čiar. Rovnaké hodnoty magnetickej indukcie magnetického poľa môžu pôsobiť na rôzne enzýmy rôznym smerom v závislosti od štruktúry reakčných centier. Činnosť niektorých enzýmov sa môže stimulovať, iných enzýmov inhibovať. Pohyb buniek v smere gradientu stacionárneho magnetického poľa, ktorý sa vyskytuje v extrémne nehomogénnych stacionárnych magnetických poliach, a je rovnako odrazom magnetomechanického efektu, nazývame magnetoforéza. V dôsledku momentov síl magnetické polia o veľkosti magnetickej indukcie 0,1 0,4 T ovplyvňujú konformačnú stabilitu hemoglobínu a kinetiku oxidačno-redukčných reakcií hemoglobínu. Podľa teoretických výpočtov magnetické polia s magnetickou indukciou menšou ako 10 T nemali by mať významný efekt na zdravie ľudí. Následkom magnetomechanického efektu magnetické polia snažia sa otočiť molekuly, vnútrobunkové štruktúry ako aj celé bunky tak, aby výsledný magnetický moment molekúl a vnútrobunkových štruktúr sa zorientoval v smere vonkajšieho magnetického poľa a aby sa častice pohybovali v smere gradientu magnetického poľa. 10.5.1.3 Elektronické interakcie Stacionárne magnetické polia môžu meniť energetické hladiny a orientáciu spinov elektrónov. Biologicky signifikantné interakcie s elektrónmi budú tie, v ktorých môže byť pomocou magnetického poľa zmenená orientácia spinov tých elektrónov, ktoré formujú väzby v reakciách enzýmov so substrátmi. Podľa teoretických analýz magnetické polia do 10 T pravdepodobne neovplyvňujú chemické reakcie v ľudskom tele s výnimkou reakcií, kto-
KLINICKÁ RADIOBIOLOGIE 172 ré zahŕňajú radikály ako medziprodukt v reakčnej ceste od východiskových látok ku konečným produktom. Voľné radikály sú veľmi dôležité v mnohých biologických reakciách a pozorovateľné zmeny podľa teórie v týchto reakciách môžu byť očakávané v poliach už s veľkosťou magnetickej indukcie 10 mt. Magnetické polia môžu predĺžiť čas života voľných radikálov. V tomto prípade zvýši sa časť radikálov, ktoré reagujú s makromolekulami, čo môže viesť k možným negatívnym efektom na funkciu buniek. 10.5.2 Interakcia elektromagnetických polí Mechanizmom interakcie biologických tkanív s elektromagnetickými poľami je indukcia časovo meniacich sa elektrických polí a prúdov. Na bunkovej úrovni interakcia indukuje napätie naprieč membránami buniek. Pri prahovej hodnote indukované napätie produkuje priamu stimuláciu vzrušivých buniek. Indukované napätie je dostatočné na stimuláciu nervov a svalových buniek, aby došlo k ich kontrakcii. Na základe tohto mechanizmu vnímame elektrické prúdy, ak pretekajú našim telom. Elektromagnetické polia indukujú časovo premenné elektrické náboje na povrchu tela. Okrem toho elektrické polia, polarizačné zmeny a prúdy sú indukované vo vnútri tela. Indukované napätie je proporcionálne k rýchlosti zmeny magnetického indukčného toku. Pre sínusové aplikované polia, indukované polia a prúdy sú lineárne závislé na frekvencii elektromagnetického poľa. Podľa Faradayovho zákona elektromagnetickej indukcie veľkosť indukovaného elektromotorického napätia je daná vzťahom: Äϕ U =, Ät ϕ - veľkosť zmeny magnetického indukčného toku za čas t. V dôsledku indukovaného napätia vznikajú indukované elektrické polia v telesných tekutinách, ktorých intenzita E je daná vzťahom: S db E = cosá, d dt S plocha tkaniva, ktorú pretínajú magnetické indukčné čiary, d dráha na ktorej pôsobia siločiary elektrického poľa, db - rýchlosť zmeny magnetickej indukcie, dt
KLINICKÁ RADIOBIOLOGIE 173 α uhol, ktorý zviera normála k ploche, ktorou pretekajú magnetické indukčné čiary, so smerom magnetických indukčných čiar. Produkované biologické efekty musia byť spojené s následnými elektrochemickými procesmi, pravdepodobne v bunkovej membráne, ktoré ovplyvňujú vlastnosti buniek. Indukované prúdy cirkulujú hlavne v extracelulárnom médiu a môžu pôsobiť cez ovplyvňovanie iónového transportu, ktorý prebieha napäťovo riadenými iónovými proteínovými kanálmi naprieč membránou, pôsobenie na membránové proteíny alebo viazanie hormónov na povrch buniek. Funkcia proteínov závisí na ich trojrozmernej štruktúre. Ak elektrické polia zmenia tvar proteínu, schopnosť proteínu fungovať ako enzým, receptor alebo iónový kanál je zmenená. Veľké elektrické polia môžu zapríčiniť zmeny v membránových kanáloch, môžu zmeniť konformáciu enzýmov, membrán, tvar proteínov, receptorov, tvar buniek alebo distribúciu iónov obklopujúcich jednotlivé bunky.