Wpływ dymu tytoniowego na właściwości dielektryczne rogówki

PRACE ORYGINALNE
Jan OLSZEWSKI1
Ewa MARZEC1
Ewa FLOREK2
Maksymilian KULZA2
W³odzimierz SAMBORSKI3
Monika SEÑCZUK-PRZYBY£OWSKA2
Jan ZAWADZIÑSKI1
Jacek PI¥TEK4
Zak³ad Bioniki i Bioimpedancji,
Uniwersytet Medyczny
im. Karola Marcinkowskiego, Poznañ
p.o. Kierownika: Dr hab. Ewa Marzec
1
Laboratorium Badañ Œrodowiskowych,
Katedra i Zak³ad Toksykologii,
Uniwersytet Medyczny
im. Karola Marcinkowskiego, Poznañ
Kierownik: Prof. dr hab. Ewa Florek
2
Klinika Reumatologii i Rehabilitacji,
Katedra Fizjoterapii, Reumatologii
i Rehabilitacji, Uniwersytet Medyczny
im. Karola Marcinkowskiego, Poznañ
Kierownik:
Prof. dr hab. med. W³odzimierz Samborski
3
Katedra i Zak³ad Fizjologii,
Uniwersytet Medyczny
im. Karola Marcinkowskiego, Poznañ
Kierownik: Prof. dr hab. med. Teresa Torliñska
4
Dodatkowe s³owa kluczowe:
dielektryczne w³aœciwoœci
pole elektryczne
dekompozycja wody
dym tytoniowy
Additional key words:
dielectric properties
electric field
decomposition of water
tobacco smoke
Adres do korespondencji:
Dr hab. Ewa Marzec
Zak³ad Bioniki i Bioimpedancji
Uniwersytet Medyczny w Poznaniu
Poznañ, ul. Parkowa 2
e-mail: [email protected]
Przegl¹d Lekarski 2011 / 68 / 10
Wp³yw dymu tytoniowego na w³aœciwoœci
dielektryczne rogówki szczura
Tobacco smoke effect on rat corneal dielectric properties
Wp³yw dymu tytoniowego na w³aœciwoœci dielektryczne rogówki szczura zosta³ zbadany in vitro w obszarze
alfa-dyspersyjnym pola elektrycznego
i dla temperatur od 25 do 150oC. Wp³yw
dymu jest widoczny jako przesuniêcie
temperaturowych pików wspó³czynnika strat dielektrycznych zwi¹zanych z
dekompozycj¹ wody, w kierunku wy¿szych temperatur w porównaniu do
rogówki kontrolnej. Jest to rezultat
wzrostu transportu jonowego w niejednorodnej strukturze rogówki spowodowany obecnoœci¹ toksycznych sk³adników dymu tytoniowego. Zbadanie
wp³ywu czêstotliwoœci i temperatury
na w³aœciwoœci dielektryczne rogówki
obci¹¿onej dymem tytoniowym mo¿e
byæ interesuj¹ce dla scharakteryzowania chorób tej tkanki.
The influence of tobacco smoke on
the dielectric properties of the rat cornea were measured in vitro in the alpha-dispersion region of the electric
field at temperatures from 25 to 150oC.
The effect of smoke is manifested as
a shift of the temperature loss tangent
peaks associated with the decomposition of water towards higher temperatures when compared to the control one. The results are interpreted as
caused by the toxic compounds of the
tobacco smoke leading to higher ion
transport in the nonhomogeneous
structure of the cornea when compared to that of the control tissue. Recognition of the effect of frequency and
temperature on the dielectric behaviour of the smoky cornea may be of
interest for disease characterization of
this tissue.
Wstêp
Zbadano i ustalono, ¿e dym tytoniowy
zawiera ponad 4300 ró¿nych sk³adników.
Czêœæ z nich, to zwi¹zki silnie toksyczne,
dra¿ni¹ce lub np. maj¹ce wp³yw na hipoksjê tkankow¹. Liczne badania oceniaj¹ce
oddzia³ywanie dymu tytoniowego na organizm ludzi i zwierz¹t potwierdzi³y wysok¹
szkodliwoœæ tych sk³adników. Naj³atwiej
mo¿na j¹ zauwa¿yæ w powsta³ych objawach
klinicznych jak np. zawa³ miêœnia sercowego, zarostowe zamykanie têtnic, zapalenie
jamy ustnej, uszkodzenie szkliwa zêbów itd.
Najtrudniej w strukturach komórkowych i
molekularnych w pocz¹tkowej fazie szkodliwego dzia³ania sk³adników dymu tytoniowego. Z uwagi na predyspozycje osobnicze,
uwarunkowania genetyczne czy np. w zale¿noœci od niestosowania diety, braku aktywnoœci fizycznej, u niektórych osób palenie tytoniu mo¿e byæ szczególnie niebezpieczne, zwielokrotniaj¹c tempo rozwoju
choroby na d³ugo przed powstaniem nieodwracalnych objawów klinicznych. Sprzyja
temu np. cukrzyca, hipercholesterolemia,
dieta bogata w t³uszcze zwierzêce, nadmiar
wêglowodanów, pasywny tryb ¿ycia.
Powszechnie uwa¿a siê, ¿e najwa¿niejszym zmys³em u cz³owieka jest zmys³ wzroku - widzenie. Struktura ga³ki ocznej jest z³o¿ona. Stanowi ona uk³ad optyczny, który
wówczas dzia³a prawid³owo, kiedy wszystkie czêœci optyczne tego uk³adu s¹ sprawne. Rogówka (cornea) wchodzi w sk³ad czêœci przedniej zewnêtrznej b³ony w³óknistej
pierwszej warstwy œciany ga³ki ocznej i jest
zbudowana z 5 warstw: nab³onka, blaszki
granicznej przedniej, istoty w³aœciwej, blaszki granicznej tylnej i œródb³onka. Jej z³o¿onoœæ sprawia, ¿e od zewn¹trz mo¿e ochraniaæ oko, a od wewn¹trz mo¿e regulowaæ
swój metabolizm nie dopuszczaj¹c do obrzêku i zachowuj¹c stan równowagi warunkuj¹cy jej przezroczystoœæ.
Sk³adniki dymu tytoniowego, które trafiaj¹ do organizmu docieraj¹ do oka i wywo³uj¹ lub u³atwiaj¹ powstanie choroby w
ró¿nych jego miejscach. Mo¿e to siê ³¹czyæ
z uszkodzeniem siatkówki oka, uszkodzeniem nerwu wzrokowego, zmianami w soczewce oka.
Ci¹gle niewiele wiadomo w jakim stopniu w rogówce oka sk³adniki dymu tytoniowego mog¹ powodowaæ zak³ócenia w jej
funkcjonowaniu i jakie mog¹ w niej wywo³ywaæ zmiany. Najlepiej w rogówce mo¿na to
zaobserwowaæ oceniaj¹c zmiany molekularne i strukturalne, pos³uguj¹c siê czu³ymi
metodami badañ. Jednym z takich sposobów jest ocena parametrów dielektrycznych
i ich ró¿nicowanie w rogówce zdrowej i nara¿onej na dzia³anie dymu tytoniowego.
Wydaje siê, ¿e zastosowanie nowatorskiego i pionierskiego rozwi¹zania w badaniach
rogówki szczura po ekspozycji na dym tytoniowy w ocenie w³aœciwoœci dielektrycznych
dostarczy na ten temat cennych informacji,
które pozwol¹ zrozumieæ znaczenie subtelnego, lecz istotnego wp³ywu sk³adników
dymu tytoniowego na zak³ócenia homeostazy w rogówce i inicjowanie procesu chorobowego.
699
powiednio dla 2 i 60kHz s¹ podobne dla rogówek z obu badanych grup.
Rycina 1
Temperaturowe zale¿noœci wspó³czynnika strat dielektrycznych dla rogówki pobranej od zwierz¹t z grupy
kontrolnej (D2kHz, p60kHz) i z grupy po ekspozycji na dym tytoniowy (O2kHz, ● 60kHz).
Temperature dependencies of the loss tangent for control cornea (D2kHz, p 60kHz) and tobacco smoke cornea
(O2kHz, ● 60kHz).
Rycina 2
Zale¿noœæ log s od (T)-1 dla rogówki pobranej od zwierz¹t z grupy kontrolnej (D2kHz, p 60kHz) i z grupy po
ekspozycji na dym tytoniowy (O2kHz, ● 60kHz).
The variation of log s versus (T)-1 for control cornea (D2kHz, p60kHz) and tobacco smoke cornea (O2kHz,
● 60kHz).
Materia³ i metoda
Badania przeprowadzono na bia³ych szczurach
szczepu Wistar, samcach o œredniej masie cia³a 422 g.
Szczury przebywa³y w temperaturze powietrza 20-22 oC,
wilgotnoœci powietrza 50-60% oraz w oœwietleniu dzieñ/
noc 12 godzin/dobê. Materia³ biologiczny od zwierz¹t
zosta³ pobrany po ich uœmierceniu w ramach równoleg³ych eksperymentów na zwierzêtach, na które otrzymano zgodê Lokalnej Komisji Etycznej do Spraw Doœwiadczeñ na Zwierzêtach w Poznaniu, Nr 26/2010 z dnia 5
marca 2010 roku. Szczury z grupy kontrolnej i grupy
poddanej ekspozycji na dym tytoniowy liczy³y po 12 sztuk.
Ekspozycja szczurów na dym tytoniowy odbywa³a siê w
8 i 16 tygodniu eksperymentu, czyli 2 razy przez 5 dni
po 6 godzin dziennie. W ostatnim dniu badañ, 16 tygodnia szczury z obu badanych grup uœpiono poprzez podanie im domiêœniowo ksylazyny z ketamin¹ odpowiednio w dawce 40 mg/kg i 5 mg/kg masy cia³a i natychmiast podczas sekcji pobrano rogówki, które zabezpieczono w pojemnikach z 0,9% NaCl. Nastêpnie rogówki
by³y p³ukane w wodzie destylowanej i suszone w temperaturze otoczenia.
W celu wykonania badañ w³aœciwoœci dielektrycznych in vitro rogówki na³o¿ono na obie jej powierzchnie
elektrody z pasty srebrnej. Pomiary wykonano przy pomocy analizatora impedancji HIOKI 3522-50 LCR w zakresie czêstotliwoœci f pola elektrycznego 500Hz 100kHz i temperatur T od 25 do 150oC. Zmierzonymi
parametrami dielektrycznymi by³y: wspó³czynnik strat dielektrycznych tan d i przewodnoœæ w³aœciwa s.
700
Wyniki
Na rycinie1 uwidoczniono temperaturowe zale¿noœci wspó³czynnika strat dielektrycznych tan d rogówki pobranej od zwierz¹t z grupy kontrolnej i z grupy po ekspozycji na dym tytoniowy dla dwóch wybranych czêstotliwoœci pola elektrycznego 2 i
60kHz. Temperaturowe maksimum tan d dla
tych krzywych wskazuje na obecnoϾ wody
luŸno zwi¹zanej w rogówce w warunkach
in vitro. Rogówka z grupy po ekspozycji na
dym tytoniowy dla obydwu czêstotliwoœci
posiada piki tan d przesuniête ~10oC w kierunku wy¿szych temperatur w porównaniu
do rogówki z grupy kontrolnej.
Rycina 2 przedstawia krzywe przewodnoœci w³aœciwej s w funkcji odwrotnoœci temperatury T dla rogówek pobranych z obu
badanych grup. Wartoœci d dla rogówki z
grupy po ekspozycji na dym tytoniowy w
ka¿dej T s¹ wyraŸnie wiêksze ni¿ dla rogówki z grupy kontrolnej. Uwidoczniony dla
ka¿dej krzywej jej liniowy przedzia³ temperaturowy w zakresie od 3,4K-1(25oC) do
3,0K-1 (55oC) umo¿liwia wyznaczenie energii aktywacji DH przewodnoœci w³aœciwej rogówki. DH równe ~35KJ/mol i ~22kJ/mol od-
Przegl¹d Lekarski 2011 / 68 / 10
Omówienie
Krzywe uwidocznione na rycinie 1 odzwierciedlaj¹ proces uwalniania wody z rogówki dla obu badanych grup w wyniku
wzrostu temperatury otoczenia. Zmierzony
parametr dielektryczny tan d wyra¿a stosunek energii elektrycznej rozproszonej w postaci ciep³a do energii elektrycznej zachowanej w badanym uk³adzie rogówka-woda
w wyniku doprowadzonego pola elektrycznego. Za energiê rozproszon¹ i zachowan¹
odpowiedzialne s¹ odpowiednio przewodnictwo protonowe wzd³u¿ kana³ów jonowych
i polaryzacja jonowa na powierzchni nab³onka i œródb³onka rogówki. Piki temperaturowe tan d w okolicy 55oC i 65oC wskazuj¹ na
pocz¹tek procesu dyfuzji wody z próbek. Poni¿ej tych temperatur w rogówkach zachodzi zrywanie wi¹zañ wodorowych w nab³onku i œródb³onku potwierdzone uzyskanymi
wartoœciami energii aktywacji (rycina 2). Jak
wynika z wczeœniejszych badañ rogówki
wykonanych innymi metodami fizycznymi
[2,4] œródb³onek poch³ania wiêksz¹ iloœæ
wody ni¿ nab³onek rogówki. Przesuniêcie
piku tan d w rogówce eksponowanej na dym
w kierunku wy¿szej temperatury jest rezultatem wystêpowania procesu sieciowania,
który powoduje wzmocnienie mechanizmów
przewodnictwa i polaryzacji w tej tkance. Te
badania sugeruj¹ powstanie kowalencyjnych
wi¹zañ sieciuj¹cych w rogówce ju¿ w warunkach in vivo w wyniku oddzia³ywania toksycznych sk³adników dymu tytoniowego na
tê tkankê. Z kolei analiza w³aœciwoœci mechanicznych rogówki ludzkiej równie¿ wskazuje na sieciowanie kolagenu jako efekt ekspozycji tej tkanki na dym tytoniowy [3,6]. Inne
badania fizykochemiczne [5] wyraŸnie pokazuj¹, ¿e ekspozycja in vivo zwierz¹t na
dym tytoniowy powoduje wzrost szybkoœci
uwalniania wody z filmu ³zowego do rogówki, wzrost iloœci zapalnych cytokin i produktów peroksydacji lipidów [1].
Wnioski
Wartoœci liczbowe zmierzonego wspó³czynnika strat dielektrycznych w zakresie
temperatur od 25 do 150oC s¹ wyraŸnie
wiêksze dla rogówki obci¹¿onej dymem tytoniowym ni¿ dla rogówki kontrolnej. Jest to
rezultat wyst¹pienia w rogówce procesów
sieciowania ju¿ w warunkach in vivo w wyniku oddzia³ywania toksycznych sk³adników
dymu tytoniowego na tkankê.
Piœmiennictwo
1. Bron A.J., Tiffany J.M., Gouveia, S.M. et al.: Functional aspects of the tear film lipid layer. Exp. Eye
Res. 2004, 78, 347.
2. Jester J.V.: Corneal crystallins and the development
of cellular transparency. Semin. Cell Dev. Biol. 2008,
19, 82.
3. Hafezi F.: Smoking and Corneal Biomechanics. Ophthalmology 2009, 116, 2259.
4. Meek K.M., Quantock A. J.: The Use of X-ray Scattering Techniques to Determine Corneal Ultrastructure. Prog. Retin. Eye Res. 2001, 20, 95.
5. Rummenie V.T., Matsumoto Y., Dogru M. et al.:
Tear cytokine and ocular surface alterations following brief passive cigarette smoke exposure. Cytokine
2008, 43, 200.
6. Wollensak G., Spoerl E.: Collagen crosslinking of
human and porcine sclera. J. Cataract Refract. Surg.
2004, 30, 689.
J. Olszewski i wsp.