Nội dung

73 Chương 4 ĐIỆN TRỞ CỦA TẾ BÀO VÀ MÔ I. Điện trở của tế bào và mô. Khi nghiên cứu tính chất điện của hệ thống sống, các quá trình điện sinh học của cơ thể, ta cần phải nắm vững các kiến thức vật lý ứng dung vào các hệ thống sống. Ngày nay, việc ứng dụng các hiện tượng điện sinh vật để khảo sát, thăm dò và điều trị trong Y học là việc làm tương đối phổ biến. Xác định các thông số điện của tế bào, mô, sợi cơ...để làm cơ sở cho việc chẩn đoán và điều trị bệnh. Việc trị liệu bằng phương pháp này nhằm giải thích sự hoạt động của cơ thể hoặc hệ thống sống, ở trạng thái trao đổi chất bình thường cũng như phân tích trong các tình trạng bệnh lý khác nhau. Như vậy bằng phương pháp lý sinh dựa trên hiện tượng điện học, khoa học đã đưa ra được nhiều đại lượng đặc thù, các thông số trạng thái đặc trưng cho cơ thể. Hơn nữa, ngày nay nhờ vào các thiết bị với kỹ thuật hiện đại đã cung cấp cho ta nhiều hướng nghiên cứu mới trên tổ chức sống. Thực nghiệm cho thấy rằng, điện trở hoặc độ dẫn điện của các đối tượng sinh vật có giá trị hằng định trong cùng một điều kiện xác định. Đó là các thông số đặc trưng cần thiết trong xét nghiệm cận lâm sàng, các chỉ số hết sức cơ bản trong nghiên cứu y-sinh học. Vì vậy nghiên cứu tính chất điện như đo độ điện dẫn, điện thế... của các tế bào và mô có một ý nghĩa thật sự quan trọng. Việc nghiên cứu thông số điện nhằm mục đích để tìm hiểu một số đặc tính, cấu trúc cũng như sự ảnh hưởng của các tác nhân vật lý lên các cơ quan, tổ chức sinh vật. Việc xác định giá trị điện trở xuất, điện dẫn xuất, tính dẫn điện hay nói chung là các thông số điện của tế bào và mô cho phép ta đánh giá được trạng thái sinh lý và chức năng hoạt động của các đối tượng khảo sát. Ngoài ra, từ các thông số ghi đo được, người nghiên cứu cũng có thể suy đoán ra được cấu trúc của các tổ chức sống một cách dễ dàng. Bằng nhiều phương pháp khác nhau của lý sinh học, ta có thể nhận biết về bản chất của tổ chức sinh vật, mà không cần phải phá huỷ cấu trúc của đối tượng khảo sát. Ngay từ thế đầu kỷ thứ XIX, các nhà khoa học đã biết cách chọn phương pháp nghiên cứu đúng theo hình thức đo điện. Bằng cách dễ dàng 74 nhất đó là đo điện trở cũng như xác định độ dẫn điện của máu, tế bào, mô sống, cơ, sợi thần kinh. Đồng thời cũng có thể đưa ra được nhiều thông số liên quan mà nhiều công trình nghiên cứu sau này đã đề cập đến. Đó là các đề tài nghiên cứu về điện trở, điện dẫn, tính dẫn điện trên các động vật, hoặc ngay cả trên các tế bào thực vật ... Nhiều kết quả thực nghiệm trước đây đã chứng minh cho ta thấy rằng: Với các tế bào động vật hoặc thực vật cũng như đối với các mô sống, dưới tác động của dòng một chiều thì điện trở suất có giá trị trung bình vào khoảng 106 ÷ 107 Ω/cm. Nên dưới tác dụng của dòng điện một chiều cho thấy, độ dẫn điện của các đối tượng sinh vật gần giống như tính dẫn của một chất bán dẫn điện. Còn dưới tác dụng của dòng điện xoay chiều thì giá trị điện dẫn đo được có giá trị nhỏ hơn rất nhiều. Để xác định được thông số về điện trở thuần, điện trở kháng của các hệ thống sống là một việc làm không đơn giản. Thông thường, ta gặp phải những khó khăn và phức tạp trong khi đo vì: - Đối tượng sống là một hệ đa pha và tổ chức không đồng nhất về cấu trúc. - Thể tích tế bào không cố định mà có thể biến đổi tuỳ theo trạng thái sinh lý của đối tượng khi khảo sát. - Bề mặt tế bào có một lớp vỏ protéin bao bọc, lớp màng bảo vệ tế bào có độ điện dẫn rất lớn. - Ngoài ra, dòng điện đi vào mô chủ yếu chạy qua lớp gian bào có độ dẫn điện tôt vì bản thân nó chứa nhiều loại ion với nồng độ rất cao. - Các vi điện cực làm tổn thương màng. Những số liệu đáng tin cậy là đo điện trở của các tế bào có kích thước nhỏ với hình dạng dễ tính toán và ở thể huyền phù. Để phù hợp với kết quả nghiên cứu từ thực nghiệm, khi đó sử dụng công thức Maxwell để đo thông số điện trở. Phương trình này có dạng như sau: r1 −1 r =β r1 +2 r r1 −1 r2 r1 +2 r2 Trong đó, r : điện trở suất của dung dịch. r1 : điện trở suất của môi trường. (4.1) 75 r2 : điện trở suất của tế bào. β : là tỷ số giữa thể tích của tế bào với toàn bộ thể tích của dung dịch. Với phương pháp xác định như trên, thực nghiệm cho ta thấy rằng điện trở suất của hồng cầu có giá trị khoảng 1012 Ω/cm. Như vậy hồng cầu là một vật thể có đặc trưng của một chất điện môi. Ngày nay từ các kết quả nghiên cứu được, người ta đã đưa ra nhiều phương pháp khác nhau để xác định các thông số điện của đối tượng khảo sát tuỳ theo yêu cầu. Việc ứng dụng trong lâm sàng cũng có một ý nghĩa hết sức to lớn. Ngoài ra, cơ sở lý thuyết cũng được xây dựng một cách hoàn chỉnh, cũng như giải thích được cho nhiều cơ chế hình thành một cách hợp lý việc ứng dụng hiện tượng điện trong nghiên cứu y-sinh học. II. Điện trở của tế bào và mô dưới ảnh hưởng dòng điện một chiều. Để xác định giá trị về điện trở thuần trên cơ thể người và động vật, ta có thể tiến hành theo một số phương pháp đơn giản. Đo điện trở bằng cách dùng điện cực đặt tại hai vị trí khác nhau trên đối tượng nghiên cứu, được mô phỏng như (hình 4.1) dưới đây: G - A + Hình 4.1: Đo điện trở tại hai vị trí xác định của cơ thể. 76 Kết quả thực nghiệm cho ta thấy rằng: Với các tế bào, mô sống khác nhau thì giá trị ghi nhận được cũng khác nhau. Thật vậy, khi cho dòng điện một chiều đi qua các đối tượng nghiên cứu trên thì cường độ dòng điện đo được không phải là một hằng số. Giá trị đo được giảm một cách liên tục theo thời gian đến một giá trị xác định nào đó, mặc dù hiệu điện thế của nguồn cung cấp là không đổi. Theo định luật Ohm, cường độ dòng điện (I) sẽ biến đổi một cách tuyến tính theo hiệu số điện thế áp đặt vào mạch đo. Với nguồn điện một chiều thì cường độ dòng (I) là không đổi, nhưng ở đây kết quả ghi nhận được thì hoàn toàn có sự khác biệt. Thật vậy, kết quả thực nghiệm cho ta thấy rằng dòng điện ghi đo được trên đối tượng sống không phải là hằng số mà giá trị của nó bị thay đổi nhiều theo thời gian. Cường độ dòng điện là một hàm số biến đổi theo thời gian như (hình 4.2): I I = Const. I = f (t) t Hình 4.2: Sự phụ thuộc cường độ dòng điện (I) theo thời gian (t). Nguyên nhân có sự giảm dòng điện như đã nêu trên là do hiện tượng phân cực xảy ra trong đối tượng nghiên cứu. Khi cho dòng điện một chiều đi qua, thì ngay trên bản thân hệ thống sống đã xuất hiện một suất điện động (E). Hiện tượng phân cực P(t) tăng đến một giá trị xác định nào đó và phát triển theo chiều hướng ngược lại so với sự phân cực ban đầu. Sự phân cực toàn phần này làm hiệu điện thế toàn mạch giảm, do đó dòng điện ngoài cũng giảm theo. Áp dụng định luật OHM cho một mạch kín, trong trường hợp này ta có: I= U − P(t ) R (4.2) 77 Trong đó: U: là hiệu điện thế áp đặt vào đối tượng khảo sát I : là cường độ dòng điện qua đoạn mạch R : là điện trở của tế bào, mô sống mà ta nghiên cứu. Tương tự như vậy, trong hệ thống sống vì có sự phân cực khi cho dòng điện chạy qua, nên ta cũng có thể xác định được giá trị điện dung C tương ứng theo hằng số điện môi của các đối tượng nghiên cứu bằng biểu thức: C= εS 4πd (4.3) Với: ε : hằng số điện môi S : diện tích bề mặt bản cực d : khoảng cách giữa 2 bản cực. Trong tế bào gồm điện dung tỉnh và điện dung phân cực (Cp) của các loại tế bào, mô sống, cơ ...dưới tác dụng của dòng điện: t Cp = ∫ Idt (4.4) 0 R(I 0 − I t ) Trong đó: I0, It : Cường độ dòng điện tại điểm t = 0 và tại thời điểm t bất kỳ I : Cường độ dòng điện của đoạn mạch. Ở hệ thống sống, trong trạng thái bình thường thì điện dung phân cực có giá trị lớn, còn khi đối tượng này bị tổn thương hay hoại tử thì kết quả đo được về điện dung lại có giá trị nhỏ hơn nhiều. Điện dung phân cực của các đối tượng sinh vật nói chung có giá trị trung bình vào khoảng từ 0,1 μF/cm2 đến 10 μF/cm2 , còn đối với các sợi cơ thì điện dung của nó có thể lên đến khoảng 40 μF/cm2. 78 III. Sự biến đổi điện trở theo tần số dòng xoay chiều. Dưới tác dụng của dòng điện xoay chiều thì trở kháng của tế bào, mô sống phụ thuộc nhiều vào tần số (ω) của nguồn phát. Do đó, thành phần điện kháng của đối tượng sinh vật như cảm kháng, dung kháng và tổng trở mạch sẽ phụ thuộc nhiều vào tần số của nguồn. Khi ở một trạng thái sinh lý nào đó, ứng với một tần số nhất định của nguồn xoay chiều thì điện trở của tế bào và mô sống có giá trị không đổi. Từ năm 1920, nhiều công trình nghiên cứu khảo sát sự biến đổi của điện trở dưới tác dụng của nguồn xoay chiều cho thấy: Điện trở của hầu hết các loại mô, cơ, tế bào sống sẽ bị thay đỗi dưới các tần số khác nhau. Đặc tuyến biến đổi của điện trở theo tần số (ω) có dạng như (hình 4.3) dưới đây: R ω1 ω2 ω Hình 4.3: Sự biến đổi điện trở của tế bào mô theo tần số. Từ đố thị trên ta thấy: Với ω < ω1 và ω > ω2 : điện trở tương đối ổn định. ω1 < ω < ω2 : điện trở giảm khi tần số tăng. Quy luật này hoàn toàn xảy ra và biến đổi là như nhau với mọi loại tế bào, mô và nhiều đối tượng khác. Đặc biệt, kết quả xảy ra cũng tương tự đối với các sợi cơ mặc dù giá trị trở kháng tuyệt đối của cơ là khác nhau. Các giá trị ω1 ÷ω2 có giá trị thay đổi trong khoảng từ 102 ÷108 Hz. 79 Đa số các mô sống, điện trở cực tiểu hay trị số độ dẫn điện cao ứng với tần số khoảng 106 Hz, còn đối với sợi thần kinh thì giá trị này tương ứng với tần số vào khoảng 109 Hz. Từ thực nghiệm cho thấy, độ dẫn điện của tế bào và mô thay đổi chủ yếu ở tần số thấp. Ở tần số cao tính chất này ít thay đổi hơn vì ở tần số thấp hiện tượng phân cực diễn ra chậm chạp và rõ rệt hơn nhiều. Sự phụ thuộc độ dẫn điện vào tần số là đại lượng đặc trưng biểu diễn cho đối tượng là tế bào hoặc mô sống. Đối với các tế bào, mô bị tổn thương tuỳ theo mức độ, tính chất này cũng giảm dần theo, đến khi tế bào chết thì tính chất đó cũng không còn nữa. Nghĩa là điện trở của tế bào khi bị tổn thương không còn phụ thuộc nhiều vào tần số. Để hiểu rõ điều đó, ta khảo sát điện trở của một số mô thực vật ở trạng thái sinh lý bình thường và bị tổn thương với các mức độ khác nhau dưới tác dụng nhiệt, như (h.4.4): R (1 ) (2 ) (3 (1) (4 ) ω Hình 4.4: Biến đổi điện trở mô thực vật theo tần số ở trạng thái sinh lý bình thường và khi bị tổn thương. (1): Trạng thái bình thường. (2): Đun ở 500C trong 2 phút (3): Đun ở 500C trong 4 phút (4): Đun ở 1000C trong 20 phút. Từ đặc trưng biến đổi của tổng trở theo tần số của dòng điện xoay chiều ở trên, ta thấy tại nhiệt độ cao nếu thời gian tác dụng càng dài thì mức độ tổn thương càng lớn, đồng thời sự phụ thuộc của điện trở theo tần số ít hơn. Dựa trên cơ sở nghiên cứu về các thông số điện có thể dễ dàng xác định, đánh giá cũng như để mô tả đối tượng theo các chỉ số sinh học của 80 một tổ chức sống ở trạng thái sinh lý bình thường hay bị bệnh lý. Ngày nay người ta thường biểu diễn chỉ số sinh học qua đặc trưng biến đổi của điện trở theo tần số R(ω) cho các loại tế bào, mô sống cũng như để xác định cho nhiều đối tượng nghiên cứu sinh vật khác. IV. Tổng trở của tế bào và mô. Để đặc trưng định lượng cho mối liên hệ kể trên, đồng thời để tiện việc khảo sát, Tarutxop đã đưa ra hệ số K cho việc đánh giá đối tượng nghiên cứu sẽ nhanh và có ý nghĩa hơn, thay vì dùng đồ thị biểu diễn sự biến đỗi của điện trở như đã trình bày trên. Hệ số này được xác định như sau: k= Rω1 Rω 2 (2.5) Trong đó ω1 , ω2 được chọn tuỳ theo đối tượng nghiên cứu. Ví du:û Khi khảo sát trên một dây thần kinh, thực nghiệm cho thấy rằng điện trở có giá trị cực tiểu ở tần số ω2 = 109 Hz và ω1 = 104 Hz nên: K= R10 4 R109 (2.6) Giá trị K càng lớn sự phụ thuộc của điện trở vào tần số này càng mạnh và ngược lại giá trị này nhỏ khi tế bào, mô đã bị chết. Trong các tế bào và mô bình thường, hệ số K phụ thuộc vào vị trí của đối tượng theo bậc thang tiến hoá của sự sống. Ví dụ: Hệ số K của gan động vật có vú khoảng 9 ÷ 10 Hệ số K của gan động vật máu lạnh khoảng 2 ÷ 3 Còn trong cơ thể người hoặc động vật, hệ số K phụ thuộc vào cường độ trao đổi chất của từng loại mô. - Ở các mô sống có cường độ trao đổi chất mạnh mẽ như gan, lách thì hệ số K có giá trị lớn. - Còn ở một số cơ quan có cường độ trao đổi chất thấp hơn (cơ) thì hệ số K lại có giá trị nhỏ. Các giá trị Rω1, Rω2 được tiến hành trong cùng nhiệt độ, điều kiện thí nghiệm như nhau, và thời gian rất gần nhau. Nên tỷ số đo được tương đối ổn định khi mô và tế bào ở trạng thái sinh lý bình thường (ở tần số cao điện trở của cơ ít thay đổi trong một thời gian dài, trong khi đó điện trở ở vùng tần số nguồn điện thấp bị thay đổi nhiều hơn) 81 Sự thay đổi điện trở làm cho tính dẫn điện của tế bào và mô bị thay đổi theo, nguồn gốc chính là do khả năng xảy ra hiện tượng phân cực của chúng. Do đó hệ số K còn được gọi là hệ số phân cực V. Áp dụng phương pháp đo điện trong chẩn đoán và điều trị bệnh. 1. Trong chẩn đoán và điều trị bệnh. Ngày nay, phương pháp đo điện trở bằng dòng điện thụ động đã được sử dụng rộng rải trong việc nghiên cứu quá trình diễn biến xảy ra ở tế bào, mô sống và các tổ chức sinh học dưới tác nhân của các yếu tố vật lý, hoá học cũng như ở các quá trình biến đổi trong trạng thái bệnh lý. Vì sử dụng với nguồn điện áp có giá trị nhỏ, do đó tác nhân này không gây nên những biến đổi nhiều về tính chất lý hoá trong tổ chức sống cũng như không làm tổn thương đến đối tượng nghiên cứu là các tổ chức sinh vật. Thực nghiệm cho ta thấy rằng, tình trạng bệnh lý biến đổi có liên quan nhiều đến sự thay đổi về giá trị điện trở, điện dẫn và các thông số điện điện của tế bào. Khi một tổ chức sinh học bị viêm nhiễm thì ngay trong giai đoạn đầu, thể tích tế bào bị trương lên, khoảng không gian giữa các tế bào bị thu hẹp lại, điện trở của mô tăng lên rất nhanh. Dấu hiệu dễ dàng thấy nhất là dưới tác dụng của dòng điện có tần số thấp, điện trở của mô lúc này được xác định chủ yếu bởi điện trở của các thành phần chất dịch ở khoảng gian bào. Ở giai đoạn đầu trong quá trình viêm, các thành phần và nhất là cấu trúc tế bào chưa có sự thay đổi đáng kể. Thể tích tế bào biến đổi không đáng kể, nên giá trị điện dung của nó chưa có sự thay đổi nhiều. Hiển nhiên rằng: Khi tăng giá trị điện trở mà điện dung vẫn giữ nguyên không thay đổi thì đó là dấu hiệu của sự trương tế bào, ngược lại nếu giảm điện trở mà vẫn giữ nguyên giá trị điện dung thì đó là dấu hiệu của sự giảm thể tích của tế bào. Ở giai đoạn sau trong qúa trình viêm nhiễm, ta thấy có sự thay đổi về cấu trúc tế bào một cách rõ rệt, hiện tượng viêm làm tăng độ thấm qua màng tế bào. Vì vậy làm thay đổi tính dẫn điện của tế bào và mô sống, dẫn đến sự giảm giá trị điện dung và điện trở. Ngày nay hiện tượng điện sinh học được ứng dụng nhiều cho việc chẩn đoán, điều trị ứng dụng trong y học dựa vào các tham số trên. Chẳng hạn, áp dụng phương pháp đo điện trở để xác định nhãn áp, đo độ chênh 82 lệch điện trở giữa nữa mặt bên phải và bên trái, đo điện ốc tai, khảo sát phản ứng cơ bằng cách đo suất Galvanic. Xác định mức độ tổn thương tế bào dưới các tác nhân thông qua các giá trị đo độ điện dẫn, đo giá trị điện trở thuần và trở kháng của da... 2. Phân cực trong hệ thống sống. Nhiều nhà khoa học cho rằng, sự phân cực các ion chủ yếu xảy ra trên bề mặt của màng tế bào. Quan niệm phân cực màng đã xác định là tế bào sống giống như một vật thể, mà bản thân nó có chứa các chất điện phân trong cấu trúc thành phần của hệ. Các chất điện ly thường nằm ở trạng thái tự do. Thật vậy, khi ở trạng thái sinh lý bình thường, tế bào không cho một số chất đi qua chẳng hạn như đối với ion Na+ mà chỉ thấm một chiều đối với ion K+. Khi có điện trường bên ngoài, các ion trong tế bào sẽ di chuyển về các cực điện tương ứng, tuỳ thuộc vào dấu của điện tích. Cuối cùng các ion trái dấu sẽ tập trung ở hai phía đầu cực của màng tế bào. Tương ứng với sự tích tụ điện tích ion ở phía bên trong màng, thì môi trường bên ngoài màng tế bào ở phía đối diện cũng có sự tích tụ các điện tích ion mang dấu ngược lại. Như vậy, hai phía cực của màng sẽ xuất hiện hai lớp điện tích bề mặt. Hiện tượng tạo thành trên tế bào được mô tả giống như hai bản cực của một tụ điện và cùng giữ vai trò tích điện trong chất điện môi. Đây là giả thuyết đưa ra để giải thích về sự xuất hiện giá trị điện dung của một tế bào. Điện dung phụ thuộc vào hằng số điện môi của tế bào, còn giá trị điện trở xuất hiện được xác định thông qua điện trở bề mặt của nó. Ngày nay bằng phương pháp đồng vị phóng xạ đã kiểm chứng được điều đó. Màng tế bào không chỉ thấm đối với ion K+ mà còn thấm đồng thời đối với cả nhiều loại ion khác nhau. Trong trạng thái sinh lý bình thường hay ở quá trình trao đổi chất bình thường, ta thấy luôn luôn xảy ra hiện tượng vận chuyển các loại ion Na+ - K+ qua lại hai phiá của màng. Bằng nhiều kết quả thực nghiệm khác nhau, ta dễ dàng thấy rằng sự phân cực trong tế bào không chỉ xuất hiện trên bề mặt của màng mà còn xảy ra trong toàn bộ thể tích của tế bào. Thật vậy, do hiện tượng điện hưởng các vật dẫn dưới tác dụng của điện trường ngoài, đã làm cho các điện tích tự do dịch chuyển. Các phần tử tích điện tương ứng có sự phân bố điện tích trở lại trên phía đối diện trong các tế bào, nên các lớp bên trong tế bào cũng có sự tích điện với dấu điện tích phù hợp.