Переменное электромагнитное поле: Электромагнитное поле — Электромагнитные колебания и волны

Магия электродинамики

Семенчик Олег
Старший инженер-схемотехник

XIX век был насыщен событиями определившими технологическое будущее человечества и заложившими фундамент его современного состояния. В это время существенное развитие получил раздел физики изучающий электромагнитное поле – электродинамика. Многие мировые ученые такие как Эрстед, Ампер, Кулон, Вольта, Лаплас, Лоренц и Эйнштейн внесли свой значимый вклад, но среди них выделяют Фарадея и Максвела. Первый экспериментально открыл явление и закон электромагнитной (э.м.) индукции, ставшие первым ясным свидетельством непосредственной динамической взаимосвязи электрического и магнитного полей. Второй, впервые опубликовал полную систему уравнений «классической электродинамики», описывающую эволюцию электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами.

Особый интерес представляют закон э.м. индукции Фарадея, определяющий генерацию электрического поля переменным магнитным и описывающий обратный процесс — закон Ампера-Максвелла, определяющий генерацию магнитного поля переменным электрическим.

Развитие электродинамики позволило в ХIХ веке создать первые трансформаторы, электрические генераторы и электродвигатели, а к концу века ввести в строй первую линию электропередач протяженностью в 170 км.

На данный момент 95% мирового производства электроэнергии генерируются в процессе преобразования различных видов энергии в электрическую, основанного на явлении э.м. индукции. «Сердцем» преобразования является электрический генератор, где кинетическая энергия преобразуется в электрическую.

В общем случае современные электростанции преобразуют исходный вид энергии из невозобновляемых или возобновляемых источников в механическую энергию, используемую для вращения турбин, которые вращают систему магнитов, размещенных внутри гигантских медных катушек индуктивности для производства электричества. Формируемое переменное магнитное поле воздействует на электроны в медных проводниках, заставляя переходить их от атома к атому, что формирует электрическое поле в катушках и электрический ток на выходе генератора.  Турбины представляют собой набор лопастей или роторов, которые вращаются от энергии потока газа, воды, пара или ветра.

Для передачи электрической энергии на дальние расстояния используют повышающие напряжение трансформаторы для снижения потерь на сопротивлениях проводов линий электропередач.

В атомной электростанции энергия реактора нагревает теплоноситель первого закрытого контура, который нагревает воду в парогенераторе второго открытого контура.

В тепловых электростанциях энергия газа, твердого или жидкого топлива вращает лопасти газовой/паровой турбины или поршневые агрегаты, на которых установлен генератор.

Работа оборудования, производимого Армтел невозможна без электронных компонентов, где используются обратимые преобразования магнитного поля в электрический ток.  Любое из переговорных устройств систем IPN или DCN возможно привести к обобщённой структурной схеме, где сердцем энергетических и сигнальных преобразований будут являться трансформаторы и катушки индуктивности в различных исполнениях.

Сигнальные и силовые трансформаторы применяются для преобразования переменного напряжения и гальванической развязки. Основной силовой преобразователь напряжения импульсами частотой в 100-400 кГц передает энергию входного постоянного напряжения +48V через трансформатор. Вторичные преобразователи импульсами частотой 500-2000 кГц передают энергию постоянного напряжения через катушки индуктивности, формируя пониженное напряжение для непосредственного питания микросхем. Гальваническая развязка подразумевает передачу сигнальной или силовой энергии посредством магнитного поля и обеспечивает отсутствие прямой электрической связи между внешними и внутренними цепями электронного устройства. Это обеспечивает безопасность устройства для пользователя и минимизацию возможных проблем от перепадов напряжения между системами заземления систем электропитания, разнесенных в пространстве.

Для передачи энергии звуковой частоты на внешний громкоговоритель отнесенный на десятки и сотни метров используется схема с повышением напряжения для снижения потерь на сопротивлении длинных линий.

Катушки индуктивности применяется для накопления энергии в магнитном поле, подавления помех и фильтрации, ограничения переменного тока и повышения или понижения напряжения во вторичных преобразователях напряжения без гальванической развязки.

Катушка индуктивности электродинамического громкоговорителя совместно с магнитной системой динамика обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую. Переменный электрический ток звуковой частоты через катушку, размещенную на гибком подвесе относительно постоянного магнита, создает условия для создания механической силы, называемой электродинамической. Изменение этой силы будет меняться пропорционально электрическому току через проводник катушки индуктивности. Колебания диффузора, размещенного вместе с катушкой сформируют соответствующие колебания воздушного пространства.

Электрические компоненты, работающие на основе законов электродинамики играют важнейшую роль в уровне развития современной техники и образуют основу для современного мира в существующем виде.

Дополнительный материал:

Существует простой способ увидеть магнитное поле – поместить постоянный магнит в объём заполненный жидкостью с металлической стружкой. Стружка, пронизываемая магнитным полем будет стремиться разместиться на его магнитных линиях.

https://yadi.sk/i/zLTgQCz7MqdB4A

Электромагнитные волны и их спектр, электромагнитное поле, беспроводная радиосвязь

Электромагнитные волны и их спектр, электромагнитное поле, беспроводная радиосвязь

Все об электромагнитных волнах и их спектре, электромагнитном поле, беспроводной радиосвязи.

Исторически первой технологией беспроводной связи является радиосвязь. В свое время она нашла очень широко применение, и по-прежнему успешно служит в наши дни. Удобные многоканальные радиостанции позволяют пользователю разговаривать на коротких расстояниях, в то время как гражданские радиостанции и морские радиостанции предлагают услуги связи для моряков. Радиолюбители обмениваются данными и выполняют функции экстренной связи во время бедствий с помощью своего вещательного оборудования и даже могут передавать цифровую информацию по радиочастотному спектру.

Принцип работы беспроводной радиосвязи основан на использовании энергии электромагнитного поля и электромагнитных волн (радиоволн). Радиовещательная служба, транслирует звук в эфире в виде радиоволн. Радио использует передатчик, который используется для передачи данных в форме радиоволн на приемную антенну. Радиовещание может также осуществляться через кабельную сеть и спутники (свч-связь).

Электромагнитное поле — связанные между собой переменные электрическое и магнитное поля. Между электрическим и магнитным полем существует теснейшая взаимная связь, которая заключается в том, что не только всякие изменения магнитного поля сопровождаются появлением электрического поля (это явление электромагнитной индукции), но также и всякие изменения электрического поля сопровождаются появлением магнитного поля.

Поэтому в электромагнитном поле электрическое поле может возникать не вследствие присутствия электрических зарядов, а вследствие изменений магнитного поля. Магнитное же поле может возникать не вследствие наличия электрических токов, а в результате изменений электрического поля. Поэтому переменное электромагнитное поле может существовать в тех областях пространства, где нет ни электрических зарядов, ни электрических токов и нет никаких проводников.

Указанная связь между электрическим и магнитным полями делает возможным не только существование электромагнитного поля в отсутствии электрических зарядов и токов, но и распространение этого поля в пространстве.

Переменное электрическое поле возбуждает в смежных областях пространства переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, возбуждает в смежных областях пространства переменное электрическое поле и так от точки к точке распространяется переменное электромагнитное поле в пространстве, в котором нет проводников.

Тем, что переменные электромагнитные поля могут распространяться в пространстве без помощи проводников, и пользуются для радиосвязи. Для этого применяют периодически меняющиеся быстропеременные электромагнитные поля, которые носят название электромагнитных волн.

Электромагнитные волны — периодически меняющееся электромагнитное поле, способное распространяться в пространстве без помощи проводов.

Скорость, с которой распространяются электромагнитные волны в пространстве, зависит от свойств заполняющей это пространство среды. Если среда обладает диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ, то скорость распространения электромагнитных волн в среде:

υ = с/(sqr(ε·υ)),

где с — скорость распространения этих волн в пространстве, не заполненном веществом, равная примерно 300000 км/сек (с такой же скоростью распространяются и световые волны, являющиеся по своей природе также электромагнитными волнами).

Длина электромагнитной волны λ это — путь, проходимый электромагнитным полем за один период его колебаний Т. Следовательно:

λ = υ·T = υ/f

где f — частота колебаний поля.

Переменное электромагнитное поле возникает вокруг всякого контура, по которому течет переменный ток. Однако если размеры контура очень малы по сравнению с той длиной волны, которая соответствует частоте текущего в контуре тока, то электромагнитное поле, возникающее вокруг контура, остается связанным с этим контуром и при этом быстро убывает по мере удаления от контура.

Если же размеры контура увеличиваются, то постепенно,- по мере приближения размеров контура к длине волны, возбуждаемой в этом контуре, все большая и большая часть электромагнитного поля теряет свою связь с контуром и в виде электромагнитных волн распространяется во все стороны от контура, сравнительно медленно убывая по мере удаления от контура — происходит излучение электромагнитных волн.

Электромагнитные волны, удаляясь от контура, уносят с собой ту энергию, которая сосредоточена в электрическом и магнитном полях волны Направление распространения электромагнитных волн и направление течения энергии волны определяется вектором Умова-Пойнтинга.

Если с помощью генератора быстрых электрических колебаний возбуждать быстропеременные токи в контуре, который способен излучать электромагнитные волны, то часть энергии колебаний генератора будет излучаться этим контуром в виде электромагнитных волн и распространяться в окружающем пространстве. Так действует передающая радиостанция.

Контуры передатчика, служащие для излучения электромагнитных волн, носят название передающих антенн. Если волны, распространяющиеся в пространстве, встречают на своем пути проводники, то переменное электромагнитное поле волны возбуждает в этих проводниках (которые в этом случае носят название приемных антенн) переменные токи, на создание которых затрачивается часть энергии электромагнитных волн.

Эти токи во всем подобны токам в передающей антенне, возбуждающей электромагнитные волны, но энергия этих токов гораздо меньше, чем энергия токов в передающей антенне, вследствие того, что при распространении волн энергия эта рассеивается во все большем и большем объеме и, кроме того, может происходить поглощение энергии электромагнитных волн в лежащих на их пути проводниках. Так может быть осуществлена передача электромагнитной энергии из передающей в приемную антенну без помощи проводов, а вместе с тем и радиосвязь, т. е. передача тех или иных сигналов.

Электромагнитный спектр — вся область электромагнитных волн, имеющих одну и ту же природу, но различающихся по длине волны и в соответствии с этим обладающих различными свойствами.

Свойства электромагнитных волн, т. е. быстропеременного электромагнитного поля, оказываются очень различными при различных частотах изменения поля, т. е. при различных длинах волн.

Медленно меняющиеся электромагнитные поля с частотами менее 15 кгц (что соответствует звуковой частоте) не применяются для излучения, т. к. при этих частотах обычные контуры практически не излучают электромагнитных волн.

Электромагнитные поля с частотами от 15 кгц примерно до 50 000 мггц соответствуют электромагнитным волнам длиной от 20 000 м до 6 мм, применяемым для целей радиосвязи. Поэтому эта вся область носит название радиоволн.

Далее, в сторону более коротких волн следуют т. н. микроволны, которые были впервые получены русскими физиками П. Н. Лебедевым, М. А. Левитской и А. А. Глаголевой-Аркадьевой, а затем тепловые и световые лучи, которые также представляют собой электромагнитные волны, но гораздо более короткие, чем те, которыми пользуются для целей радиосвязи.

Так, например, лучи видимого света соответствуют волнам длиной в несколько десятитысячных долей миллиметра, т. е. частотами примерно в 10¹⁵ гц. Еще дальше за световыми лучами следуют ультрафиолетовые лучи, затем еще более короткие рентгеновские лучи и, наконец, наиболее короткие — гамма-лучи, излучаемые радиоактивными веществами.

Ранее ЭлектроВести писали, что пятнадцатую неделю 2020 года (6-12 апреля) фотоэлектрическая солнечная энергетика впервые в истории отрасли выработала 23% электроэнергии Германии.

По материалам: electrik.info.

Магнитное поле переменное — Справочник химика 21

    Магнитное поле. ………. …переменное [c.75]

    Метод ЭПР основан на эффекте Зеемана и открыт в 1944 г. Е. К. Завойским. В этом методе рассматривается расщепление энергетических уровней, возникающих в результате воздействия магнитного поля на вещество, содержащее атомы с неспаренными электронами (точнее — электроны с нескомпенсированным магнитным моментом). Если такое вещество поместить в магнитное поле и подвергнуть воздействию переменного электромагнитного поля перпендикулярно статическому, то при определенных частотах происходит резонансное поглощение энергии образцом. Энергия взаимодействия неспаренных электронов с полем равна [c.60]

    Магнитострикционный эффект — это изменение размеров ферромагнитного материала, помещенного в переменное магнитное поле. У большинства ферромагнетиков относительные деформации малы, но у никеля, пермендюра и ферритов они достаточно большие. Трансдуцер сделан из листов соответствующего ферромагнитного материала, листы выштампованы по определенной форме и собраны в пакет. На рис. 1.18 показана типичная форма пакета и отдельного листа. [c.47]

    Известны вспомогательные вещества, состоящие из частиц полимеров неправильной формы, например из частиц поливинилхлорида [371], в частности с добавкой минерального наполнителя [372]. Вспомогательные вещества, состоящие из частиц полимеров с магнитными свойствами, получают полимеризацией соответствующих мономеров в присутствии тонкодисперсных ферромагнитных материалов [373]. Частицы этих полимеров имеют различную форму и близкие размеры. Магнитные вспомогательные вещества регенерируют в переменном магнитном поле. [c.349]

    В электромагнитных вибровозбудителях колебания возникают в результате взаимодействия переменного магнитного потока, создаваемого в обмотках с якорем из ферромагнитного материала, закрепленного на упругих элементах. В электродинамическом вибровозбудителе используются пондеромоторные силы, действующие на проводники с переменным током в магнитном поле. Возвращающая сила, как и в электромагнитных системах, создается специальными упругими элементами. В гидравлических вибровозбудителях используется или пульсирующий источник рабочей жидкости или ее постоянный поток прерывается специальным золотниковым устройством. По принципу [c.47]

    Скорость контроля механизированным магнитографическим способом достигает нескольких десятков метров в минуту. Этим способом надежно выявляются поверхностные дефекты глубиной более 0,3 мм. При контроле в приложенном магнитном поле постоянного тока выявляются несплошности металла на глубине до 15—20 мм. Если контроль осуществляют в магнитном поле переменного тока с частотой 50 Гц, то дефекты обнаруживают на [c.252]

    В большинстве исследований использовались модулированное магнитное поле переменной напряженности и фазочувствительное детектирование сигнала. Для определения относительных концентраций атомов во многих случаях достаточно измерения высоты пиков соответствующих сигналов (см. ниже) абсолютные концентрации получаются из отношения интегральных интенсивностей сигналов, соответствующих атомам и молекулярному кислороду.  [c.310]

    Таким образом, состояние системы определяется независимыми переменными (параметрами состояния), число которых зависит от характера конкретной системы, а выбор их в принципе произволен и связан с соображениями целесообразности. Для определения состояния простейших систем—однородных и постоянных во времени по массе и по составу (состоящих из одной фазы и не изменяющихся химически)—достаточно знать две независимые переменные из числа трех (объем V, давление р и температура Т). В более сложных системах в число независимых переменных могут входить концентрации, электрический заряд, электростатический потенциал, напряженность магнитного поля и другие. [c.37]

    Работа индукционного расходомера основана на использовании явления электромагнитной индукции. Если проводник перемещается в магнитном поле переменного тока, то индуцируемая э. д. с. определится по формуле  [c.43]

    П р и м е р. А. с. 865200. Способ съема ягод со шпалерных культур путем колебания шпалерных проволок с привязанными к ним побегами, отличающийся тем, что, с целью снижения затрат и повреждений шпалерных культур, берут магнит с постоянным по направлению магнитным полем, между полюсами располагают шпалерные проволоки, по которым пропускают переменный ток, и вдоль упомянутых проволок перемещают магнит . [c.110]

    Можно думать, что молекулы воды вследствие значительной полярности стремятся ориентироваться в соответствии с направлением магнитного поля. Это в какой-то степени расстраивает структуру, свойственную воде в отсутствие магнитного поля, и разрывает связи, существовавшие между молекулами. Применение переменного поля соответствующей частоты должно в таком случае уменьшать среднюю степень связанности молекул воды, повышая этим ее химическую активность и способность к выходу из данного материала, например, при сушке. [c.168]

    При включении трехфазного переменного тока в обмотке статора синхронного электродвигателя возникает вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого зависит от частоты переменного тока и числа полюсов статора. В обмотку ротора подается [c.76]

    В аспекте аналогии могут быть интерпретированы опытные данные, полученные при псевдоожижении ферромагнитных частиц в переменном магнитном поле, где наблюдались п с е в -д о п о л и м е р н ы е структуры частицы выстраивались в цепочки вдоль силовых линий. При увеличении скорости ожижающего агента и такая структура слоя постепенно нарушалась, образуя обычный псевдоожиженный слой, — аналогично размягчению с ростом температуры и плавлению некоторых термопластичных полимеров. [c.490]

    Электромагнитное поле в волноводе определяется уравнениями Максвелла и граничными условиями на его стенках [18]. Решение соответствует краевой задаче. Неймана уравнения Гельмгольца для прямоугольного волновода (рис. 4.4). Такое решение в случае волн Я-типа приводит к зависимости продольной компоненты напряженности магнитного поля в виде парциальных (собственных) волн от пространственных переменных  [c.86]

    Измельчение твердых тел может происходить в результате воздействия на них ударных волн в жидкости (электрогидравлический эффект) и ультразвуковой кавитации, а также при использовании твердых магнитных тел, возбуждаемых переменными магнитными полями. Принципиально можно дробить твердые тела, создавая термические напряжения пучками электромагнитного излучения СВЧ диапазона или лазерным лучом. [c.111]

    В основе первого направления лежит использование МГД-течений в электропроводных жидкостях. Соответствующие устройства подразделяют на кондукционные и индукционные. В кондукционных устройствах электропроводная жидкость (или суспензия) протекает по каналу, располагаемому между полюсами электромагнита. В боковых гранях канала размещены электроды, к которым подводится напряжение от внешнего источника. Возникающие электродинамические силы служат для перемешивания жидких сред. В индукционных устройствах используют переменное магнитное поле, создаваемое обмоткой статора, а жидкость внутри его служит подобием ротора асинхронного двигателя. В результате электромагнитной индукции создается ток и обеспечивается вращательное движение жидкости. Вследствие низкого к. п. д. и больших энергозатрат рассмотренные устройства пока не нашли широкого применения.  [c.112]

    Последняя группа слагаемых в уравнении (7.22) учитывает пространственные неоднородности электрических и магнитных полей и отклонения от равновесных переменных полей, тепловой эффект же учитывается включением соответствующего источника тепла (4.12) в баланс энергии в полных уравнениях тепломассопереноса, что и приво дит к появлению дополнительных градиентов температуры и давления. Перемещение влаги с поверхности материала в окружающую среду происходит через пограничный слой. [c.161]

    В последние годы свободные радикалы стали обнаруживать и изучать методом электронного парамагнитного резонанса. Метод заключается в резонансном поглощении энергии переменного высокочастотного магнитного поля парамагнитным веществом, помещенным в постоянное магнитное поле. На экране осциллографа возникают спектры электронно-парамагнитного резонанса (ЭПР) исследуемого парамагнитного вещества. Все свободные радикалы обладают парамагнитными свойствами, но каждый радикал имеет свой характерный спектр. [c.40]

    Магнитопорошковый метод заключается в том, что на поверхность сварного шва наносят суспензию флюоресцирующего порошка в керосине. Намагничивающее устройство создает переменное магнитное поле. Контролируемый участок освещается кварцевой лампой. Намагниченные частицы порошка скапливаются на полюсах потока рассеяния в дефектных местах, достаточно четко повторяя их форму. [c.294]

    Электрические индукционные печи (рис. 7-11). Нагревание в этих печах осуществляется индукционными токами. Обогреваемый аппарат 1 является сердечником соленоида 2, охватывающего аппарат по соленоиду пропускается переменный ток, при этом вокруг соленоида возникает переменное магнитное поле, которое индуцирует в стенках обогреваемого аппарата электродвижущую силу. Под действием возникающего вторичного тока нагреваются стенки аппарата. Соленоид выполняется из медной или алюминиевой проволоки, имеющей малое омическое сопротивление.  [c.173]

    К нагреванию сопротивлением относится нагревание индукционными токами, которое производится следующим образом. Аппарат окружают обмоткой, через которую пропускается переменный ток. При этом вокруг обмотки образуется переменное магнитное поле, индуцирующее в стенках аппарата электродвижущую силу. В результате в стенках аппарата возникает электрический ток, который и прогревает их по всей толщине. [c.421]

    Тот же самый результат может быть получен, если частота переменного ноля V остается постоянной, а изменяется напряженность постоянного магнитного поля. При изменении напряженности постоянного магнитного поля изменяется частота прецессии ядра и, когда она достигает частоты переменного магнитного поля, происходит резонанс. На практике обычно реализуется именно этот способ. Таким образом, задача анализа обычно состоит в том, чтобы определить напряженность постоянного магнитного поля, при которой наступает ядерный резонанс в переменном поле определенной частоты V. В этом случае частота V равна частоте ЯМР. В табл. 4 приведены значения ЯМР для ядер различных атомов.  [c.38]

    I — магнитное поле 2 — детектор 3 — питание переменным током. [c.78]

    Приборы для изучения ЭПР называются радиоспектрометрами. Спектр ЭПР показывает зависимость интенсивности поглощения энергии исследуемым образцом от величины напряженности постоянного магнитного поля при заданной частоте переменного поля. [c.61]

    На постоянное магнитное поле Земли накладывается переменное магнитное поле, происхождение которого, видимо, связано не только с внутриземными, но и с космическими явлениями. Наблюдения показывают, что переменное магнитное поле Земли меняется [c.141]

    Здесь приняты те же обозначения, что и в разделе 1.1, и, кроме того, Н — вектор напряженности магнитного поля т, п — скалярные функции а, — скалярные переменные типа потенциалов Клебша с — отличная от нуля произвольная постоянная.  [c.11]

    Парамагнитные частицы в постоянном магнитном и переменном электромагнитном полях [c.230]

    Принцип нагревания индукционными токамш заключается в следующем. Через соленоид, внутри которого помещен нагреваемый материал (проводник первого рода), пропускается переменный ток, образующий вокруг соленоида переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле-индуцирует в нагреваемом теле электродвижущую силу индукции или вторичный ток, который и выделяет, согласно закону Джоуля, тепло, идущее на нагрев. [c.310]

    Буш Л. 59] решал уравнения сжимаемого пограничного слоя и, так же как Блевис, обнаружил явления гистерезиса для трения и тепл00 б-мена. Буш принимал зависимость проводимости от температуры согласно работе (Л. 18] и в отличие от Блевиса считал индукцию приложенного магнитного поля переменной по длине пластины. Так же как Россоу, Буш обнаружил, что магнитное поле способствует утолщению пограничного слоя и уменьшению теплоотдачи.  [c.48]

    Существует много форм излучения — видимый свет, радиоволны, инфракрасное излучение, рентгеновские лучи, -лучи. Со-гласно волновой модели, все эти виды излучения можно описать как осциллирующие электрические и магнитные поля. Излучение, распространяющееся, например, в направлении г, состоит из электрических и магнитных полей, перпендикулярных друг другу и направлению распространения г. Эти поля для плоско-поляризованного излучения изображены па рис. 5-1. Мы рассматриваем поляризованное излучение для упрощения, так как в этом случае отфильтровываются все остальные компоненты электрического поля, за исключением компонент в плоскости хг. Волна распространяется в направлении г со скоростью света с (З-Ю см1сек) и состоит из волн с электрическим и магнитным полями переменной напряженности, как это видно из графика амплитуд вдоль осей хну. Длина волны излучения X обозначена на рис. 5-1, и именно различие в этой величине характери зует перечисленные выше явно различные формы излучения. Если излучение характеризуется только одной длиной волны, оно называется монохроматическим. Полихроматическое излучение можно разложить на преобладающе монохроматические пучки. В случае видимого, ультрафиолетового или инфракрас ного излучения для этой цели применяются призмы и решетки. [c.139]

    При заданной напряженности магнитного. поля переменное электромагнитное поле только с одной частотой V может перевести электрон из иизшего состояние в высшее.. Обычно в исследованиях методом электронного парамагнитного резонанса используют магнитные поля с напряженностью в тысячи эрстед и радиоволны сверхвысоких частот. [c.171]

    Мэе и резко уменьшается с увеличением энергии электронов. Для фазовых углов а, определяемых постоянным смещением на управляющей сетке электронной пушки, не превышающих я/3, необходимая модуляция магнитного поля развертки практически может быть осуществлена магнитным полем переменного тока частоты со с подмагничиванием постоянным током (см. рис. 2.3). Уровень подмагничйвания Но определяется из очевидного соотношения [c.33]

    Процесс перемагничивания характеризуется кривыми циклического перемапшчивания и основной (коммутационной) 1фивой намагничивания, проходящей через вершины симметричных частных петель перемагничивания ферромагнетика в магнитном поле переменной напряженности. [c.10]

    Если к такой системе ориентированных спинов приложить пере-1енное поле, магнитная компонента которого перпендикулярна постоянному магнитному полю, то при частоте переменного поля V, удовлетворяющей условию резонанса Ь> = происходят ин- [c.24]

    Четкое противоречие полезно, чтобы инструмент прижимался к изделию, и вредно, чтобы инструмент прижимался к изделию. И столь же четкий способ преодоления противоречия постоянный прижим абразива заменяют переменным, круг начинает вибрировать, трение уменьшается. Для создания вибрации применяют дополнительное магнитное переменное поле, действующее на ферросуспензию. Чтобы действие магнитного поля было максимальным, частицы суспензии выполняют из материала с магнитострикционными свойствами, т. е. [c.109]

    Работа асинхронного двигателя основана на взаимодействии электромагнитного поля обмотки 5 статора и токов, индуктируемых в роторе 2. При прохождении трехфазного переменного тока по обмотке статора двигателя создается вращающееся магнитное поле, которое пересекает обмотку ротора и индуктирует в ней переменный ток. Возникшие в обмотке ротора токи взаимодействуют с вращающимся магнитным полем статора, и ротор приходит во вращательное движение в сторону вращения поля статора. При этом ротор отстает от магнитного поля статора, т. е. вращается не в такт, асинхронно с полем, поэтому и двигатели называются асин-хропнымн. [c.75]

    Масс-спектроскопия основана на разделении заряженных частиц переменной массы способами электрического и магнитного полей. Основными частями масс-спектрометра являются ионизационная камера (ионы в ней образуются при электронной бомбардировке газообразных веществ), электрический потенциал для того, чтобы ускорить движение ионов, и магнитное поле, которое индуцирует угловое отклонение. Если изменить силу либо электрического, либо магнитного полей, то ионы могут быть соответственно разделены и собраны на основе отношения массы к заряду. Углеводороды ионизируют для того, чтобы получить определенные обрывы цепей. Так как такие обрывы характерны для углеводородного ряда, то поэтому возможны типовые анализы узкокипящих фракций в газообразных нефтепродуктах, смазочных маслах и парафинах однако [219—220] могут встречаться и смешанные структуры [222]. Необходимо использовать стандарты для калибровки спектрометра. [c.191]

    При воздействии на технологические объекты предусматривают в ускорителях управление пучком электронов, обеспечивающее изменение напряжения пучка для вывода его в заданном направлении, и управление средней плотностью пучка, используя временную развертку, а также концентрирование или деконцентрирование пучка. Перед выпуском пучка электронов из окна пучок обычно рассеивают с помощью переменного магнитного поля, чтобы его ширина соответствовала ширине облучаемого материала. Наряду с односторонним используют двухстороннее облучение и сложные линзовые системы для воздействия на объекты сложной (цилиндрической) формы [17]. [c.104]

    Высокочастотное титроваиие — вариант бесконтактного кондуктометрического метода анализа, в котором анализируемый раствор подвергают действию электрического поля высокой частоты (порядка нескольких мегагерц). При повышении частоты внешнего электрического поля электропроводность растворов электролитов увеличивается (эффект Дебая — Фалькенгагена), поскольку уменьшается амплитуда колебания ионов в поле переменного тока, период колебания ионов становится соизмерим с временем релаксации ионной атмосферы (примерно 10 с для разбавленных растворов), тормозящий релаксационный эффект снимается. Поле высокой частоты деформирует молекулу, по-Л5физуя ее (деформационная поляризация) и заставляет полярную молекулу определенным образом перемещаться (ориентационная поляризация). В результате таких поляризационных эф фектов возникают кратковременные токи, изменяющие электропроводность, диэлектрические свойства и магнитную проницаемость растворов. Измеряемая в этих условиях полная электропроводность высокочастотной кондуктометрпческой ячейки X складывается из активной составляющей >.акт — истинной проводимости раствора — п реактивной составляющей Хреакт — мнимой электропроводности, зависящей от частоты и тппа ячейки  [c.111]

    Ядерный квадрупольный резонанс. Квадрупольный момент характеризует отклонение распределения электрического заряда ядра от сферической симметрии. Ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР) можно наблюдать, если ядро находится в неоднородном электрическом поле. Тогда при взаимодействии градиента электрического поля с квадрупольным моментом ядра уровни энергии ядра будут расщеплены. Величина расщепления зависит от величины квадру-польного момента ядра и градиента поля. Если теперь на образец наложить переменное магнитное поле соответствующей частоты (перпендикулярное градиенту электрического поля), то под его воздействием магнитные моменты ядра будут изменяться и вещесл во станет поглощать энергию этого поля.  [c.63]

    Аналогичные явления происходят при механических напряжениях (деформациях) горных сред во внешнем магнитном поле. В зависимости от характера прикладываемых нагрузок собственная остаточная намагниченность называется пьезоостаточной либо динамической. Пьезоостаточная намагниченность возникает при статических нагрузках горных сред во внешнем магнитном поле. Динамическая намагниченность обусловлена действием переменных и ударных нагрузок. [c.142]

    Магнитный момент электрона в радикале может быть направлен либо по линиям напряженности внешнего магнитного поля, либо против них. Переходы электрона между этими состояниями. можно стимулировать переменным электромагнитным 1голем. Прп совпадении частоты этого поля с частотой перехода электрона (ре л1аиса) происходит сильное поглощение энергии. Интенсивность поглощения пропорциональна концентрации парамагнитных центров. [c.100]

Как моделировать проводники в переменных магнитных полях

Как показывает практика, одним из наиболее распространённых применений модуля AC/DC пакета COMSOL Multiphysics® является моделирование проводников и других резистивных материалов в переменных магнитных полях, приводящих к возникновению больших индуцированных токов. Подход к моделированию таких задач зависит от того, насколько быстро во времени изменяются магнитные поля. В данной заметке мы расскажем об основах моделирования проводников и продемонстрируем различные методики расчёта.

Описание скин-эффекта с использованием модуля AC/DC

Когда резистивный материал, например, проводник, помещают в переменное электромагнитное поле, в нём индуцируются токи. Эти токи создают магнитное поле, которое изменяет распределение тока внутри материала. Результатом является вытеснение индуцированных токов к поверхности. Данное явление называют скин-эффектом.

Скин-эффект можно смоделировать, используя любой физический интерфейс в модуле AC/DC, в котором рассчитываются магнитные поля и растекание токов. Ниже приведён список таких интерфейсов:

• Magnetic Fields (Магнитные поля)
• Magnetic and Electric Fields (Магнитные и электрические поля)
• Magnetic Field Formulation (Формулировка через магнитное поле)
• Rotating Machinery, Magnetic (Вращающиеся механизмы, Магнетизм)

Все эти физические интерфейсы позволяют проводить расчёты в частотной области при условии того, что магнитные и другие поля изменяются синусоидально во времени. {-1}

где \omega — рабочая частота, \mu_0 — магнитная постоянная, \epsilon_0 — диэлектрическая постоянная, \mu_r и \epsilon_r — относительные магнитная и электрическая проницаемости материала, \sigma — электропроводность материала.

Для проводников это выражение можно упростить до:

\delta=\sqrt{\frac{2}{\omega \mu_0 \mu_r \sigma}}

Грубо говоря, глубина скин-слоя определяется экспоненциальным уменьшением индуцированных токов в плоском полубесконечном проводнике. Однако очень важно заранее примерно представлять её значение. Рекомендуем всегда проводить предварительную оценку для определения толщины скин-слоя во всех материалах, так как от этой величины зависит то, какой подход к моделированию следует выбирать. Чтобы закрепить этот совет, давайте рассмотрим простой пример короткозамкнутого витка (поперечное сечение 1 см и радиус витка 10 см), который помещён в однородное фоновое магнитное поле, осциллирующее на разных частотах, как показано на рисунке ниже.

Виток из медного провода, который помещён в синусоидальное переменное магнитное поле.

Для решения такой задачи можно воспользоваться двухмерной осесимметричной моделью, как показано ниже. Область с бесконечными элементами (infinite element domain) используется для эффективного ограничения расчётной области и имитации открытых границ. Подробнее про использование данного функционала мы писали в предыдущей заметке нашего корпоративного блога.

Схематичное изображение расчетной области для модели катушки.

Давайте посмотрим на результаты расчета в такой постановке на различных частотах. На рисунке ниже изображено распределение тока в катушке. На высоких частотах мы как раз наблюдаем эффект вытеснения тока к поверхности. Фактически, на самой высокой рассмотренной частоте, ток в центре катушки практически равен нулю. Можно сказать, что скин-эффект экранировал внутреннюю область проводника.

Распределение тока в поперечном сечении катушки на различных частотах.

Для правильного моделирования подобных задач очень важно аккуратно подобрать и построить конечно-элементную сетку. На высоких частотах, когда ток практически полностью вытесняется к границам проводника, для точного расчёта переменных полей, необходимо строить более плотную сетку ближе к внешней поверхности. Однако, поля сильно изменяются в направлении нормали к границе и очень слабо — по периметру катушки ( в касательном направлении).

В таких случаях можно воспользоваться функционалом сетки граничного слоя, который будет автоматически генерировать тонкие конечные элементы, нормальные к границе, как показано на рисунке ниже. В зависимости от того, насколько точно вам необходимо провести расчёт, вы можете задавать толщину этих элементов от половины до целой глубины скин-слоя, а также использовать два или больше граничных слоёв. С другой стороны, на низких частотах построение погранслойной сетки, в принципе, не требуется.

Сеточное разбиение внутри катушки на различных частотах, соответствующих предыдущим графикам распределения тока.

Эквивалентные граничные условия

Как видно на изображениях выше, на более высоких частотах распределение тока внутри катушки очень незначительное. Поэтому можно сделать разумное практическое предположение о том, что на высоких частотах токи текут только по поверхности. В таких случаях можно использовать Импедансное граничное условие (Impedance) и не моделировать внутреннюю часть катушки, как показано на изображениях ниже.

Схематичное изображение и сеточное разбиение для модели с использованием Импедансного граничного условия (Impedance).

Такой подход позволит значительно сэкономить вычислительные ресурсы, так как в при этом необходимо строить сетку только в окружающей воздушной области и применить Импедансное граничное условие. Очевидно, что в такой постановке мы не сможем получить и расчитать распределение тока внутри проводника. Однако, если в задаче оно и не требуется, то смело можно пользоваться этим удобным граничным условием. На графике ниже изображены зависимости потерь в катушке от частоты, рассчитанные с помощью Импедансного граничного условия (зелёная линия) и с использованием полнотельной модели с погранслойной сеткой (синяя линия).

График зависимости потерь в катушке от частоты для Импедансного граничного условия и для полнотельной моделии с погранслойной сеткой.

Далее приведен график отношения потерь, рассчитанных с помощью Импедансного граничного условия, к потерям, рассчитанным с использованием полнотельной модели, в зависимости от отношения радиуса провода к толщине скин-слоя. По мере приближения характерного размера задачи (в данном случае, радиуса) к величине превышающей толщину скин-слоя в десять раз, рассчитанные для двух случаев потери выравниваются.

График зависимости отношения рассчитанных потерь от соотношения радиуса катушки к толщине скин-слоя.

По данному графику можно сделать вывод о том, что Импедансное граничное условие даёт точные результаты при расчете полных потерь, в случае если толщина скин-слоя относительно мала по сравнению с характерными размерами моделируемого проводника. Это очень важное следствие, так как оно помогает значительно упростить некоторые задачи для расчёта в частотной области с использованием модуля AC/DC.

Расчёты проводников во временной области в переменных магнитных полях

Завершим нашу статью некоторыми комментариями по расчетам во временной области. Импедансное граничное условие в данном случае неприменимо, так как оно сформулировано только для системы уравнений Максвелла в частотной области. Для моделирования во временной области необходимо строить сетку на всей поверхности проводника. В данном случае все также актуально использование функционала погранслойных сеток, однако вам необходимо подобрать толщину слоев этой сетки как на основе средней, так и максимально возможной частоты, которая может проявиться в расчете во временной области. Такой подход может увеличить вычислительные затраты, поэтому старайтесь использовать моделирование в частотной области по мере возможности.

Потребуется ли переход во временною область, если в модели присутствуют нелинейные материалы? Если в задаче имеется ферромагнитный материал с нелинейной магнитной проницаемостью, можно использовать материальную модель эффективной кривой намагничивания H-B (effective H-B curve) и смоделировать магнитный материал в частотной области.

Заключение

Для эффективного использования модуля AC/DC очень важно иметь правильное представление об эффектах, характерных для проводящих и других резистивных материалов в переменных магнитных полях. В данной заметке мы показали, как можно использовать Импедансное граничное условие на высоких частотах в качестве альтернативы явному моделированию проводящих областей. В последнем случае необходимо использовать сетку с погранслойными элементами, чтобы разрешить растекание токов в приповерхностном слое на высоких частотах, что увеличит вычислительные затраты. При использовании Импедансного граничного условия не нужно будет моделировать внутреннюю область проводника, что поможет значительно сэкономить вычислительные ресурсы.

Дальнейшие шаги

Чтобы узнать больше о функционале модуля AC/DC для электротехнических расчетов, нажмите на кнопку ниже.

Дополнительные ресурсы

Ознакомьтесь со следующими примерами, чтобы узнать больше об электротехническом моделировании:

Электромагнитные поля на рабочем месте / Хабр

Думаю найдутся единицы пользователей разной бытовой техники не знающие, что любая техника, подключённая к обычной бытовой электросети ~220В 50Гц, является источником электромагнитного поля(ЭМП). Да, ЭМП есть, но немногие знают, превышает оно предельно-допустимые нормы(ПДН) или нет. Я являюсь работником одной лаборатории в составе организации, занимающийся Аттестацией рабочих место по условиям труда, возможно, многие слышали, у кого-то она проводилась. В последние пару лет, когда меня допустили до проведения измерений повидал многие рабочие места. Где-то отлично, где-то ужасно. По просьбам трудящихся, расскажу о некоторых результатах измерения ЭМП.

Сразу оговорюсь, что не являюсь физиком по образованию и уж совсем тонкостей ЭМП не знаю, тем не менее техническое образование имею.

Итак, средство измерения: Измеритель параметров электрического и магнитного полей «ВЕ-метр-АТ-002», не является супер точным прибором. Прибор позволяет делать одновременные измерения электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля в двух полосах частот: от 5 Гц до 2 кГц и от 2 кГц до 400 кГц. Документ, в котором указаны ПДН при работе на компьютере СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03.
Предельно-допустимые нормы ЭМП

В теории если бытовая техника заземлена, то показания ЭМП должны соответствовать ПДН. На практике оно в большинстве случаев так и бывает. Но даже при наличии заземления попадаются исключения.

Пример 1

Имеем контур заземления во всём здании. В каждом кабинете по два-три компьютера. Когда мы начали измерять, то сразу заметили, что показания в общем укладываются в ПДН, но находятся, так сказать, на грани. На некоторых рабочих местах отдельные показатели превышали в два, а то и три раза. Не сразу было понятно в чём дело. Каждый компьютер подключен через источник бесперебойного питания, некоторые беспербойники были включены в сеть через удлинители(Пилоты). На некоторых рабочих местах количество удлинителей доходило до трёх штук))). Сами бесперебойники в основном располагались под ногами у работников, а где и на самом системном блоке. В начале избавились от удлинителя, показания не изменились. Решили попробовать подключить компьютер в обход бесперебойника и О чудо, показания в норме. Недавно эта организация закупила большую партию бесперебойников фирмы APC, на вид они выглядят подобным образом

im2-tub-ru. yandex.net/i?id=81960965-39-72

Было непонятно почему от бесперебойника такой уровень ЭМП. Вроде сам имеет заземляющий провод, все розетки также с заземлением. Тем не менее итог таков.

Пример 2

Та же организация, тоже здание. Во многих кабинетах, чтобы скрасить серые будни работников стояли простенькие FM-радиоприёмнки с питанием от электросети, шнур питания без заземления. Некоторые стояли поодаль от компьютеров, какие-то стояли на рабочем столе, рядом с монитором. Проработав некоторые время на замерах уже набираешь опыт и при каких либо отклонениях начинаешь проверять подключение, искать потребителей тока без заземления. Так вот отключив приёмник, показания пришли в норму. Ещё один интересный случай с приёмником там же. Сам радиоприёмник находился от компьютера метрах в двух. Мне непонятно каким образом были распределены электромагнитные поля, но на расстоянии двух метров показания превышали в два раза. Повторили измерения три раза и без изменений. Выключив радиоприёмник, показания пришли в норму.

Пример 3

Другая организация. Ситуация похожая на Пример 2. Обычная ситуация на каждом рабочем месте стоит настольная лампа. В случае даже когда лампа выключена, есть превышения ПДН. Выключаем лампу из розетки, всё приходит в норму.

У нас в офисе два типа ламп, одни дают превышение в 2 раза, другие в 1.5. Это при условии, что они подключены в электрическую сеть, но выключены.

Специально для Вас продемонстрирую результаты с лампой на рабочем месте и без. Используется энергосберегающая лампа. Лампы накаливания в наличии нет.

E1, В/м	E2, В/м	B1, нТл	B2, нТл
Настольная лампа не работает, но включена в электрическую сеть
139	0.39	10	1
122	0.4	10	3
133	0.38	10	3
Настольная лампа работает (увеличение показаний связано с «разогревом» люминисцентной лампы после включения)
66	8. 9	10	3
79	11.4	10	4
86	12.9	10	4
Лампа отключена от сети. Показания работающего монитора
4	0.02	10	1

Пример 4

Есть такие беспроводные мышки, более того без питания. Так называемая индукционная мышь. Она работает с помощью специального индукционного коврика, и питаются индукционным способом. При замере я можно сказать офигел, потому что никогда не видел таких показаний по магнитной составляющей. Превышение в 15 раз. Отключаем мышь, т.е. коврик и показания в норме. Если не ошибаюсь, многие графические планшеты работают на том же принципе.

Излучение от телефона

Несколько слов про это. Прибор: Измеритель уровней электромагнитных излучений «ПЗ-31».

Делали измерения чисто для себя. В момент соединения базовой станции с телефоном, телефон в этот момент ещё не подаёт признаков звонка, идёт сильное превышение, далее через несколько секунд излучение приходит в норму. Вывод один, при наборе номера, в первые секунды не стоит держать телефон у головы. Да, время воздействия достаточно мало, но лично мне теперь боязно сразу же после набора номера прислонять телефон к уху.

Итог

Я привёл наиболее частые и интересные примеры. Часто встречается такой вариант, есть заземляющий контур, но компьютеры подключены через обычный удлинитель без земли, соответственно присутствуют превышения. Меняем на удлинитель с землёй и всё приходит в норму. Не могу высказать никаких предпочтений по поводу качественных удлинителей с землёй, все они в той или иной мере справляются со своими задачами. Как видите, существуют проблемы с источниками бесперебойного питания и с настольными лампами. Даже звуковые колонки не вносят таких помех как настольные лампы. Тут тоже не выскажу ни каких рекомендаций, так как каждый образец нужно исследовать отдельно.

По поводу ЖК мониторов и с ЭЛТ. Если заземление имеется, то неважно, какой тип монитора, показатели должны быть в норме. Без заземления у мониторов с ЭЛТ показатели несколько выше ЖК мониторов.

Специально для трудящихся из поста, которые подкинули идею написать эту статью, померил розетку, куда подключены свитч и роутер. Конечно, применение ПДН для мониторов чисто условно. Сделал только по одному замеру, чтобы хотя бы оценить величину.

Как видим превышает магнитная составляющая из-за наличия в блоках питания трансформаторов. Что делать? Помимо того, что я не физик, я ещё и не радио-техник)). Видимо каким-то образом нужно экранировать трансформаторы.

PS Ввиду того, что сами медики не могут определиться какой же вред наносит ЭМП. Поэтому в том же СанПиНе рекомендуется при активной работе за компьютером после каждого часа делать 5-15 минут перерыва.

По поводу мифа, что кактус уменьшает излучение. Хочу вас расстроить, но это не так.

UPD: исправлено на электромагнитные поля, так будет правильно.

Обзор терапии переменными электрическими полями (NovoTTF-терапия) для лечения злокачественной глиомы

Curr Neurol Neurosci Rep. 2016; 16: 8.

, ,

, , и ,

Kenneth D. Swanson

Мозговой мозговой центр и нейроинкологический блок, Бет Израиль Деаоцентр медицинский центр, Гарвардская медицинская школа, Бостон, М.А.

Edwin Lok

Центр опухолей головного мозга и отделение нейроонкологии, Медицинский центр Beth Israel Deaconess, Гарвардская медицинская школа, Бостон, Массачусетс, США

Eric T.

Wong

Центр опухолей головного мозга и отделение нейроонкологии, Медицинский центр Beth Israel Deaconess, Гарвардская медицинская школа, Бостон, Массачусетс, США

Факультет физики, Массачусетский университет в Лоуэлле, Лоуэлл, Массачусетс, США

Центр опухолей головного мозга и отделение нейроонкологии, Медицинский центр Бет Исраэль Диаконисс, Гарвардская медицинская школа, Бостон, Массачусетс, США

Факультет физики, Массачусетский университет в Лоуэлле, Лоуэлл, Массачусетс, США

Автор, ответственный за переписку.

Открытый доступ Эта статья распространяется в соответствии с условиями международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии вы должным образом указываете автора (авторов) и источник, предоставляете ссылку на лицензию Creative Commons и указываете, были ли внесены изменения.

Эта статья была процитирована другими статьями в PMC.

Abstract

Как и во многих других методах лечения рака, поля для лечения опухолей (TTFields) нацелены на быстро делящиеся опухолевые клетки.Во время митоза клетки, подвергшиеся воздействию TTFields, демонстрируют неконтролируемое вздутие мембраны в начале анафазы, что приводит к аномальному выходу из митоза. На основании этих критериев в качестве молекулярных мишеней TTFields были предложены по крайней мере два белковых комплекса, включая α/β-тубулин и гетеротример септина 2, 6, 7. После аберрантного митотического выхода в клетках обнаруживались аномальные ядра и признаки клеточного стресса, включая снижение клеточной пролиферации и зависимость от p53, а также проявлялись признаки иммуногенной гибели клеток, что позволяет предположить, что лечение TTFields может индуцировать противоопухолевый иммунный ответ.Клинические испытания привели к одобрению Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов для лечения рецидивирующей глиобластомы. Детальное моделирование TTFields в головном мозге позволяет предположить, что расположение опухоли может влиять на эффективность лечения. Эти наблюдения оказали глубокое влияние на использование TTFields в клинике, в том числе на то, какие сопутствующие терапии лучше всего применять для повышения его эффективности.

Ключевые слова: Глиобластома, Опухолевые поля, Злокачественная глиома, Септин, Тубулин, Компьютерное моделирование, Дексаметазон

Введение

Терапия переменными электрическими полями – новое противораковое лечение, которое нарушает митоз опухолевых клеток.Первое одобренное Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) показание для лечения рецидивирующей глиобластомы. В этом обзоре мы обсудим основные эффекты клеточной биологии, физические свойства и данные клинических испытаний этого нового противоракового лечения.

Клеточная биология Влияние полей, воздействующих на опухоль, на митотические опухолевые клетки

Давно известно, что электрические поля взаимодействуют с биологическим материалом, и это использовалось для лечения, вызывая деполяризацию электрически возбудимых нервов и мышц или вызывая глубокий нагрев тканей. Доктор Йорум Палти из Института Раппапорта в Израиле разработал технологию создания электрических полей, влияющих на жизнеспособность делящихся клеток. Анализ этого влияния на жизнеспособность клеток выявил плотный пик цитотоксического эффекта во всех протестированных типах клеток в диапазоне частот от 150 до 200 кГц, который не проявлялся при частотах  < 50 кГц и  > 500 кГц. Эта цитотоксичность также увеличивалась с увеличением интенсивности поля. На основании их способности убивать опухолевые клетки в культуре эти переменные электрические поля были названы полями для лечения опухолей (TTFields) [1••, 2••].Во время митоза воздействие этих полей на клетки приводит к сильному вздутию мембраны, и клетки обнаруживают нарушение элементов веретена микротрубочек и хромосомного порядка после митоза [2••, 3••]. Загадочная особенность эффекта, который TTFields оказывает на клетки, заключается в том, что угол падения к митотической пластине диктует величину клеточного повреждения. Когда TTFields были перпендикулярны плоскости деления, клетки были относительно незатронутыми, но когда TTFields были параллельны плоскости деления, клетки демонстрировали более высокую степень митотической недостаточности [2••]. Воздействие TTFields нарушает как элементы веретена микротрубочек, так и митотический хромосомный порядок, демонстрируя, что клетки физически нарушаются после митоза. Это указывает на то, что TTFields взаимодействуют с элементами, вероятно, с белковой структурой внутри клетки, которая обладает фиксированным структурным отношением к плоскости деления.

Детальный анализ показал, что TTFields-индуцированное нарушение митозов происходит, в частности, одновременно с выходом из метафазы [3••]. Ранние отчеты показали, что клетки, подвергшиеся воздействию TTFields, демонстрировали увеличение времени митоза [2••].По сравнению с терапией паклитакселом, который блокирует выход из метафазы, не было серьезных нарушений в прогрессировании митоза [3••]. Структура микротрубочек во время метафазы и разрушение как циклина В, так и секурина были нормальными [4]. Покадровая микроскопия митотических клеток, окрашенных жизненно важным ДНК-красителем для определения стадии митоза, показала, что TTFields-индуцированное пузырение мембран происходит в ожидаемое время выхода из метафазы [3••]. Поскольку это запускается захватом микротрубочек метафазного веретена кинетохорами хромосом после образования метафазной пластинки (см. ниже), это предполагает, что в присутствии TTFields формирование и функция метафазного веретена являются нормальными.Однако измеримое увеличение содержания 4N ДНК в клетках, обработанных TTFields, в сочетании с сохранением уровней фосфорилированного гистона h4 в синхронизированных культурах, обработанных TTFields, указывает на аномальный выход из митоза [3••, 4]. Вместе эти данные демонстрируют, что клетки, обработанные TTFields, проходят нормально через метафазу, но становятся ненормальными во время анафазы из-за сильного нарушения митотического порядка, вторичного по отношению к пузырению мембраны, за которым следует аберрантный митотический выход.

Было также показано, что TTFields вызывает регрессию опухоли в моделях рака у животных и человека.Лечение мышей рядом инъекционных моделей опухолей, включая аденокарциному толстой кишки CT26, меланому B16/F1, карциному легкого Льюиса и высокоинвазивную карциному VX2 у кроликов, продемонстрировало регрессию опухоли, индуцированную TTFields [1••, 5, 6]. Интересно, что лечение опухолей VX2, имплантированных под капсулу почки после образования опухоли, привело к заметному снижению метастазирования в легкие при анализе через 35 дней после имплантации. Это сопровождалось статистически значимым увеличением количества иммунных инфильтратов в пределах успешных метастазов в легкие у леченных животных.Вместе эти исследования продемонстрировали, что TTFields могут проникать в организм и влиять на клеточную физиологию, что привело к их тестированию против глиом человека и успешному клиническому испытанию фазы III (см. ниже). Чен и др. . [7] также применяли аналогичные переменные электрические поля промежуточной частоты к клеткам меланомы B16/F10, показывая аналогичные эффекты как in vitro , так и ex vivo . Интересно, что они также предоставляют доказательства того, что количество CD34-позитивных клеток было снижено, что указывает на влияние на микроциркуляторное русло опухоли в обработанных опухолях [7].Эндотелий опухоли не только необходим для перфузии кислорода и питательных веществ в ложе опухоли, но и участвует в поддержании внутриопухолевой иммунной ингибирующей среды [8, 9]. Эти данные свидетельствуют о том, что помимо их воздействия на злокачественные клетки, TTFields может способствовать регрессии опухоли, как за счет истощения опухоли, так и за счет снижения внутриопухолевых иммунных привилегий.

Основа уязвимости к TTFields во время митоза

Клеточный цикл представляет собой регламентированный процесс, контролирующий клеточный рост и пролиферацию.Поскольку TTFields воздействуют на клетки во время митоза, это предполагает специфическую уязвимость внутри митоза к возмущениям, вызванным TTFields. Рост клеток и накопление биомассы происходит во время интерфазы, которая подразделяется на фазы G ₁ , S и G ₂ . Неделящиеся и постмитотические клетки существуют в состоянии, обозначаемом как G ₀ . Деление клеток и производство дочерних клеток происходит во время митоза, который далее подразделяется на прометафазу, метафазу, анафазу и телофазу.В отличие от митоза в длительном периоде интерфазы преобладают метаболические процессы; напротив, митоз характеризуется процессами, которые зависят от быстрой и точной сборки и функций сложных структур, специфичных для митоза. Эти структуры отвечают за три независимые, хотя и скоординированные, механические функции, которые имеют решающее значение для правильного деления клеток в течение ограниченного периода времени, примерно 90 минут в типичных культивируемых клетках. Следовательно, в то время как интерфаза является сильно анизотропной стадией, процессы, от которых зависит митоз, обладают свойствами, которые делают их по своей природе более восприимчивыми к возмущению электродвижущими силами, введенными в клетку TTFields (см. ниже).Кроме того, по мере развития митоза как уровень порядка, так и потребность в пространственной и временной точности выполнения этих структур нарастают от сборки митотических веретен до запуска значительных биомеханических сил, генерируемых цитокинетической бороздой дробления (CCF), которая способен за считанные минуты разделить родительскую клетку на двух дочерних. Поэтому по мере митоза клетки, вероятно, становятся все более чувствительными к воздействию переменных электрических полей.

Сестринские хроматиды, которые конденсируются во время прометафазы, прикрепляются к вновь собранным метафазным веретенам и мигрируют к клеточному экватору под действием кинезиновых моторных белков с образованием метафазной пластинки [10]. Кинетохоры в центромерных областях каждой сестринской хроматиды захватывают концы микротрубочек митотического веретена. Поскольку кинетохоры каждой пары хроматид располагаются поперек хромосом друг от друга, захват микротрубочек гарантирует, что все пары хроматид выровнены на метафазной пластинке, а составляющие их пары кинетохор выровнены по направлению к соответствующему полюсу каждой формирующейся дочерней клетки.Это также создает физическое напряжение между кинетохорами, которое действует, чтобы прекратить сигнал, который предотвращает активацию стимулирующего анафазу комплекса C (APC/C) и выход из метафазы [11]. Окончательный захват кинетохор запускает митотический выход, обеспечивая быструю и необратимую активацию активности убиквитинлигазы APC/C, ответственной за нацеливание специфических белков на разрушение протеосомой S26. Для выхода из метафазы необходима деструкция убиквитинированных субстратов APC/C, включая циклин G ₂ , циклин B и секурин.Циклин В является аллостерическим активатором циклинзависимой киназы 1, активность которой инициирует митоз и переводит клетки в метафазу, одновременно ингибируя процессы, необходимые для анафазы. Секурин ингибирует протеазную сепаразу, которая расщепляет когезиновые белковые комплексы, помогающие запутывать сестринские хроматиды до анафазы [12]. Поскольку APC/C активируется только после захвата последней кинетохоры, вхождение в анафазу, следовательно, требует правильного формирования и функционирования веретена микротрубочек [13].

Во время анафазы две структуры формируются, выполняют свою функцию, а затем быстро разбираются. Веретено микротрубочек анафазы выполняет две функции в течение нескольких минут после входа в анафазу. За это время она собирается между отделяющимися дочерними хромосомами, быстро растет от средней линии и проталкивает их в формирующиеся дочерние клетки. Средняя линия анафазного веретена важна для организации и регуляции CCF (рис. ). Сочетание точной координации событий во время анафазы и коротких временных рамок, в течение которых они должны выполняться, вероятно, делает их чувствительными к разрушительным воздействиям TTFields.Для этого средняя линия анафазного веретена содержит ряд регуляторных белков, в том числе комплекс центрального шпинделя, RhoGEF и ECT2, который рекрутирует адапторный белок анилин, который, в свою очередь, связывается с комплексом септина 2, 6, 7 [14]. . ECT2 впоследствии доставляется от средней линии к CCF, где он играет важную роль в определении его локализации и регуляции его сокращения во время цитокинеза [15]. При рекрутировании в CCF гетеротримеры septin олигомеризуются в высокоупорядоченный цитоскелетоподобный каркас, который функционирует для рекрутирования и организации активных миозиновых сократительных элементов, необходимых для проникновения в борозды и разделения дочерних клеток [14, 16-20].Помимо своей функции внутри CCF, септины также сшивают пучки F-актина внутри субмембранного актинового цитоскелета [21, 22, 23, 24]. Эта структура должна обладать достаточной жесткостью, чтобы противостоять гидростатическому давлению внутри цитоплазмы, создаваемому проникновением цитокинетической борозды. Неспособность сдерживать эти силы приводит к разрыву связи между этой структурой и вышележащей плазматической мембраной, что приводит к образованию пузырей мембраны [21].

Поля обработки опухолей (TTFields) взаимодействуют с клетками во время митоза.Клеточный цикл можно разделить на интерфазу и митоз. Интерфаза делится на G1, S и G2, во время которых клетки увеличиваются в размерах за счет накопления биомассы посредством метаболических процессов. Митоз делится на прометафазу, метафазу, анафазу и телофазу. Эти различные фазы определяются биомеханическими процессами, которые развились, чтобы гарантировать точное наследование родительского генома в каждой вновь образованной дочерней клетке. TTFields воздействуют на клетки в анафазе. APC/C = комплекс, стимулирующий анафазу C

Молекулярные мишени TTFields

Разрушение клеток TTFields во время митоза позволяет предположить, что они воздействуют силой или движением на определяемые молекулярные мишени, функции которых имеют решающее значение для митотического процесса или процессов. Белки обладают сложной структурой заряда на своей поверхности, которая зависит от заряда боковых цепей поверхностных аминокислот. Расположение кислотных и основных боковых цепей может привести к региональному разделению поверхностного заряда, придающему белку дипольный момент, подобный тому, который наблюдается в стержневых магнитах. Дипольные моменты таких белков будут выравниваться в электрическом поле, ориентируясь на противоположно заряженный полюс поля. Следовательно, реполяризация переменного поля вызовет переориентацию белковых диполей внутри поля.Таким образом, ожидается, что такие белки будут испытывать вращательные силы внутри TTFields [2••].

Предполагается, что мишенями возмущения TTFields являются белки, важные для митотической прогрессии и обладающие высокими дипольными моментами, включая мономерную субъединицу α/β-тубулина микротрубочек и митотический септиновый комплекс. α/β-тубулин образует строительные блоки для микротрубочек. Таксаны являются широко используемыми химиотерапевтическими агентами, которые связывают и стабилизируют микротрубочки и могут вызывать митотическую катастрофу, захватывая клетки в метафазу [25]. Функциональная субъединица микротрубочек представляет собой гетеродимер, состоящий из α- и β-тубулина, который обладает высоким предсказанным дипольным моментом 1660 Дебай (D) (PDB 1JFF) [26, 27]. Следовательно, возможно, что TTFields вмешивается в критическую митотическую функцию, выполняемую микротрубочками [1••, 2••], включая формирование метафазных и анафазных веретен и их соответствующие механические функции [28, 29], или астральные микротрубочки которые помогают регулировать CCF [30].

Гетеротример септина 2, 6, 7 также обладает высоким предсказанным дипольным моментом 2711 Д (PDB 2QAG), [27, 31].Как описано выше, гетеротримерный комплекс септина 2, 6, 7 необходим для функций, необходимых для более поздних стадий клеточного деления. Комплекс быстро полимеризуется и структурно помогает организовать CCF во время анафазы. После рекрутирования он затем олигомеризуется и организует CCF над экваториальной плоскостью расщепления путем связывания с F-актиновыми филаментами и пространственно регулирует активацию миозина. Возмущение септинового комплекса особенно заманчиво из-за его известной роли в регуляции функции CCF и поперечного связывания актиновых пучков и организации структур, таких как клеточный подмембранный актиновый цитоскелет, который необходим для его жесткости [21, 22•].Истощение septin 7, вызванное короткой шпилькой РНК, приводит к митотическим пузырям, сходным с таковым, наблюдаемым при обработке TTFields [2••, 3••, 22•], и к увеличению размера клеток [22•, 32]. Септины также взаимодействуют с микротрубочками и несколькими белками, взаимодействующими с микротрубочками, которые влияют на их положение и стабильность как во время интерфазы, так и во время митоза [33]. Следовательно, нарушение либо α/β-тубулина, либо септинов может нарушать функцию микротрубочек. В отличие от ошибок или повреждений, которые инициируют G ₁ /S, G ₂ /M или контрольную точку сборки шпинделя (SAC), катастрофические ошибки, возникающие после фиксации клетки в анафазе, вряд ли будут исправлены [34]. Эти наблюдения убедительно свидетельствуют о механизме действия, при котором TTFields нарушают митоз, вмешиваясь в нормальную локализацию и функцию септина во время митоза, приводя к вздутию мембраны и аберрантному выходу из митоза.

Митотические эффекты TTFields приводят к постмитотическому стрессу

Этот аберрантный митотический выход приводит к высокой степени клеточного стресса, на что указывает увеличение цитоплазматических вакуолей, а также снижение пролиферации и апоптоза [3••]. Было показано, что клетки, испытывающие выход из митоза в отсутствие деления, испытывают зависимую от p53 G _0/1 остановку клеточного цикла и апоптоз [35, 36].Аналогичным образом, клетки, подвергшиеся воздействию TTFields, впоследствии демонстрируют снижение пролиферации с неспособностью вступить в S-фазу и повышенные уровни апоптоза, начинающиеся  > 24 часов после воздействия TTFields в зависимости от p53. Апоптоз происходит после 24 часов воздействия TTFields во время митоза р53-зависимым образом [3••]. Эти данные убедительно свидетельствуют о том, что на эффективность лечения может влиять генетика опухоли.

Существуют различные способы, которыми TTFields может влиять на результаты лечения пациентов.TTFields способны разрушать клетки во время митоза, что приводит к аберрантному выходу из митоза и гибели клеток. Как и в случае ядов веретена, которые запускают SAC, клетки, затронутые TTFields, обнаруживают различные судьбы, включая гибель в анафазе или аберрантный выход из митоза, подобный митотическому сдвигу. Таким образом, механизм действия может быть подобен механизму, предложенному для других методов лечения рака, которые разрушают опухолевые клетки на основе их повышенной скорости пролиферации, что делает их более восприимчивыми к агентам, нацеленным на делящиеся клетки, таким как яды веретена.В качестве альтернативы, есть несколько линий доказательств, предполагающих, что TTFields индуцирует иммунологический ответ против опухолей.

Несколько линий доказательств подтверждают возможную иммунную зависимость эффективности TTFields. Сеновилла и др. показали, что тетраплоидные клетки, полученные в экспериментальных условиях, которые нарушают выход из митоза, проявляют признаки иммуногенной гибели клеток (ICD) [37]. Эта запрограммированная форма гибели клеток вызывает иммунный ответ против умирающих клеток посредством экспрессии на клеточной поверхности белка-шаперона эндоплазматического ретикулума, кальретикулина, а также секреции цитокина/алармина, высокоподвижного белка группы box 1 (HMGB1) и аденозинтрифосфата. 38••, 39].При введении мышам эти умирающие клетки производили защитную иммунизацию от последующего заражения теми же опухолевыми клетками [37]. Кроме того, было продемонстрировано, что клетки, ставшие тетраплоидными с помощью фармакологических манипуляций, также экспрессируют лиганды группы естественных киллеров 2, члена D (NKG2D) и вспомогательной молекулы DNAX 1 (DNAM) на своей поверхности, что провоцирует клиренс естественных клеток-киллеров экспрессирующих клеток [40]. ]. Клетки, подвергшиеся воздействию TTFields, демонстрируют клеточные ответы, соответствующие ICD, включая экспрессию кальретикулина на клеточной поверхности и истощение HMGB1. Кирсон и др. [5] показали, что краткосрочное лечение TTFields опухоли VX2, инъецированной субренальной капсулой, у кроликов заметно уменьшало последующее метастатическое распространение в легкие. Исследование метастатических опухолей в легких кроликов, получавших TTFields, показало значительное увеличение иммунных инфильтратов, что, вероятно, указывает на потребность в усилении иммунной защитной стромы для опухолей, способных развиваться у этих животных [5]. В базовом исследовании EF-11, которое привело к одобрению FDA для лечения рецидивирующей глиобластомы, обычно наблюдался ответ 6.Через 6–9,9 месяцев после начала лечения у ответивших на лечение пациентов наблюдалась быстрая регрессия опухоли [41•]. Этот образец отсроченного ответа также согласуется с иммунным механизмом отторжения опухоли. Наконец, клинические данные убедительно свидетельствуют о том, что одновременное применение дексаметазона, мощного иммунодепрессанта, коррелирует с плохим исходом (см. ниже) [41•, 42••].

TTFields Therapy для рецидивирующей глиобластомы

В настоящее время одобренным FDA показанием для терапевтического устройства TTFields является лечение рецидивирующей глиобластомы. Первое пилотное исследование безопасности и эффективности терапии TTFields на людях проводилось с 2004 по 2007 год и включало 10 пациентов с рецидивирующей глиобластомой [1••]. Наиболее частым побочным эффектом был контактный дерматит, развившийся у девяти пациентов в результате раздражения кожи головы гидрогелем. У двух пациентов наблюдались парциальные припадки, связанные с их опухолями. Никакой токсичности в анализе крови или биохимии не наблюдалось, за исключением повышенных ферментов печени у тех, кто принимал противосудорожные препараты.Средняя общая выживаемость (mOS) 10 пациентов составила 14,4 месяца. Время до прогрессирования опухоли составило 6,0 месяцев, а годовая выживаемость составила 67,5 % [1••]. Был один полный и один частичный ответчик, которые были живы через 84 и 87 месяцев, соответственно, от начала лечения [43]. Кроме того, было подтверждено, что напряженность электрических полей, непосредственно измеренная у одного пациента, находится в пределах 10 % от значений, оцененных с помощью компьютерного моделирования [1••].

Регистрационное исследование фазы III проводилось с 2006 по 2009 год, и основной конечной точкой была общая выживаемость [44••].В группе пациентов, получающих лечение, mOS составлял 6,6 месяцев для TTFields по сравнению с 6,0 месяцами для химиотерапии по выбору врача (BPC) с отношением рисков (HR) 0,86 ( p  = 0,27). Около 31 % когорты пациентов с ПКК получали бевацизумаб отдельно или в комбинации с химиотерапией. Медиана выживаемости без прогрессирования (ВБП) химиотерапии TTFields и BPC составила 2,2 и 2,1 месяца соответственно (ОР 0,81; p  = 0,16), а ВБП через 6 месяцев составила 21,4% и 15,1% соответственно ( p ). = 0.13). Однолетняя выживаемость составила 20 % в обеих когортах. Результаты исследования показывают, что TTFields, вероятно, имеет эквивалентную эффективность по сравнению с химиотерапией и бевацизумабом.

Раздражение кожи головы 1 или 2 степени было наиболее частым побочным эффектом, связанным с устройством. Небольшое смещение массивов во время замены массивов и применение местных кортикостероидов может минимизировать это раздражение [45]. Было гораздо меньше гематологической токсичности, потери аппетита, запоров, диареи, усталости, тошноты, рвоты и боли, связанных с устройством, по сравнению с химиотерапией BPC.Кроме того, анализ показал, что у пациентов, получавших лечение с помощью устройства, были лучшие когнитивные и эмоциональные функции. Основываясь на эквивалентных результатах эффективности и отсутствии серьезной связанной токсичности, FDA одобрило 8 апреля 2011 г. терапию TTFields для лечения рецидивирующей глиобластомы.

Очевидное несоответствие в показателях общей выживаемости между пилотным исследованием и регистрационным испытанием побудило провести серию ретроспективных анализов данных испытаний. Во-первых, один из анализов был сосредоточен на респондерах, и он показал, что у пяти из 14 респондеров, получавших монотерапию TTFields, ранее была низкая степень гистологии, в то время как ни у одного из семи респондеров, получавших химиотерапию BPC, этого не было [41•].Во-вторых, анализ выявил значительно меньшее использование дексаметазона у респондеров по сравнению с нереспондерами [41•]. Респонденты в группе монотерапии TTFields получали среднюю дозу дексаметазона 1,0 мг/день, в то время как нереспондеры получали 5,2 мг/день. Аналогичная разница была также отмечена в средней кумулятивной дозе дексаметазона 7,1 мг для ответивших на лечение по сравнению с 261,7 мг для неответивших на лечение. В группе химиотерапии средняя доза дексаметазона составляла 1,2 мг/день для ответивших на лечение по сравнению с 6,0 мг/день для не ответивших на лечение.Однако средняя кумулятивная доза дексаметазона существенно не отличалась (348,5 мг для ответивших против 242,3 мг для неответивших). Эти данные свидетельствуют о том, что на эффективность TTFields может влиять одновременное применение дексаметазона, который является клинически модифицируемым фактором. Это открытие побудило к углубленному анализу эффекта дексаметазона у всей исследуемой популяции.

Применение неконтролируемого модифицированного алгоритма бинарного поиска, который стратифицировал группу монотерапии TTFields в исследовании фазы III на основе дозировки дексаметазона, которая обеспечивала наибольшую статистическую разницу в выживаемости, выявило, что субъекты, которые использовали  > 4. Прием 1 мг/день дексаметазона привел к значительному сокращению средней выживаемости до 4,8 месяцев по сравнению с теми, кто получал  ≤ 4,1 мг/сутки (средняя выживаемость – 11,0 месяцев) [42••]. У пациентов в группе химиотерапии наблюдалась аналогичная, но менее устойчивая дихотомия; у тех, кто использовал  > 4,1 и  ≤ 4,1 мг/день дексаметазона, средняя выживаемость составила 6,0 и 8,9 месяцев соответственно. Эта разница в общей выживаемости, основанная на дозе дексаметазона, не была связана с размером опухоли, но, скорее всего, была связана с вмешательством в иммунную эффекторную функцию пациента.Группа пациентов, прошедших валидацию в одном учреждении, получавших терапию TTFields, с использованием их CD3 ⁺ , CD4 ⁺ и CD8 ⁺ Т-лимфоцитов в качестве маркера иммунной компетентности, предположила важность иммунной компетентности для терапии TTFields. Важно отметить, что доза дексаметазона  > 4,0 мг/день также оказалась неблагоприятным прогностическим фактором у недавно диагностированных пациентов, завершивших лучевую терапию [46], подтверждая вывод о том, что дексаметазон может мешать лечению. При последовательном увеличении дозы дексаметазона обе когорты достигли точки перегиба около 8,0 мг/день, после чего показатель выживаемости после этого медленно снижался. В совокупности дексаметазон оказывает общее и глубокое влияние на эффективность как TTFields, так и химиотерапевтического лечения глиобластомы. Следовательно, использование дексаметазона должно быть сведено к минимуму [47].

Трансканальное распределение электрических полей от массивов преобразователей

Ряд факторов, включая электрическую проводимость среды и относительную диэлектрическую проницаемость, могут влиять на распределение электрического поля.Поскольку состав каждой ткани уникален, внутричерепные структуры должны быть охарактеризованы на основе значений их проводимости и диэлектрической проницаемости. Таким образом, крайне гетерогенная архитектура мозга искажает электрические поля, индуцируемые внешним источником. Электрические поля обычно определяются как мгновенные изменения электрического потенциала. Это изменение электрического потенциала приводит к электродвижущему разрушению митотических структур и, следовательно, лежит в основе терапевтического эффекта TTFields [3••].Терапия TTFields для глиобластомы проводится двумя парами массивов преобразователей, расположенных ортогонально на выбритой коже головы, склеенных тонким слоем проводящего геля, который обеспечивает хорошую проводимость (рис.) [48]. TTFields генерируются генератором переменного тока с батарейным питанием, работающим на частоте 200 кГц, с максимальным переменным напряжением от +50 до –50 В. — зарегистрированные наборы данных для цифровых изображений и коммуникаций в медицине (DICOM) пациентов из постгадолиниевых изображений с взвешиванием T1, изображений T2 и магнитно-резонансных изображений с быстрым градиентным эхом, подготовленных с помощью намагничивания.Ранее Лок и соавт. [49•] показали неоднородное распределение электрических полей в головном мозге, при этом области, прилегающие к рогам желудочков, имели особенно высокую напряженность электрического поля (рис.  ). Вероятно, это связано с более высокой электропроводностью спинномозговой жидкости (ЦСЖ), чем окружающих тканей, которая ведет себя как клемма конденсатора, при этом окружающие ткани функционируют во многом как диэлектрик между проводящими клеммами. Поскольку диэлектрическая среда обычно сохраняет заряд, скорость, с которой среда способна накапливать и удерживать заряд, определяется ее проводимостью и относительной диэлектрической проницаемостью.На частоте 200 кГц влияние диэлектрической проницаемости подавляется проводимостью среды [50]. Более того, скорость, с которой среда способна накапливать и удерживать заряды, зависит от частоты. На высоких частотах каждая среда имеет уникальную характеристику емкостного реактивного сопротивления проводимости среды, и, таким образом, у среды есть только ограниченное время для накопления конечного количества заряда и сохранения его до того, как поле разрушится при изменении направления полярности, тем самым разряжая первоначально сохраненный заряд. зарядить перед повторением процесса.Поскольку CSF имеет низкое значение диэлектрической проницаемости по сравнению с окружающими ее тканями, она является плохой диэлектрической средой, и поэтому заряды будут мигрировать через слой жидкости с гораздо большей скоростью с минимальным сохранением заряда. Это объясняет, почему большая часть спинномозговой жидкости демонстрирует очень низкую напряженность электрического поля. Однако это не так на границе между спинномозговой жидкостью и прилегающей мозговой тканью. Вычисленное распределение электрического поля показало, что рога желудочков демонстрируют более высокую напряженность электрического поля, чем остальная часть спинномозговой жидкости.Это, вероятно, связано с геометрией области в сочетании с повышенным электрическим потенциалом и реактивным сопротивлением, вызывающим большие изменения поля.

Размещение массива датчиков на коже головы. Созданные картографическим программным обеспечением NovoTAL, две пары массивов расположены ортогонально в передне-заднем (A, B) и право-левом (C, D) расположении. Эти две пары массивов подключены к генератору электрического поля, который, в свою очередь, либо подключен к портативному аккумулятору, либо шнуру питания, который можно вставить непосредственно в электрическую розетку (не показана)

Компьютерное моделирование электрического поля распределение внутри головного мозга.Т1-взвешенные постгадолиниевые, Т2 и обработанные намагничиванием быстрые градиентно-эхо-магнитно-резонансные изображения импортируются в пакет Simpleware ScanIP 7.0 Suite для выполнения сегментации различных структур головного мозга, включая скальп, череп, твердую мозговую оболочку, спинномозговую жидкость, серое вещество, белое вещество, ствол мозга, мозжечок, двусторонние желудочки, общий объем опухоли и некротическое ядро ​​опухоли. (A) Затем создается герметичная объемная сетка для анализа методом конечных элементов с помощью COMSOL Multiphysics. (B) Распределение электрических полей в головном мозге неоднородно, с наибольшими полями в лобных и затылочных рогах боковых желудочков, а также на медиальной поверхности глиобластомы

Электрические свойства глиом, вероятно, различаются в зависимости от больных в зависимости от состава опухоли. Опухоли с более крупными некротическими ядрами, вероятно, будут демонстрировать более высокую интенсивность поля в общем объеме опухоли из-за емкостного реактивного сопротивления, как объяснялось выше. Напротив, опухоли с меньшим некротическим ядром или без него, вероятно, будут демонстрировать более низкую напряженность поля в центре объема из-за отсутствия проводящей среды, действующей в качестве источника электрического тока. Это может стать клинически значимым из-за повышенных требований к времени воздействия TTFields, поскольку внешние слои общего объема опухоли обрабатываются медленно из-за более низкой интенсивности поля.

Использование терапии TTFields в клинической практике

Применение терапии TTFields после одобрения FDA в обычной клинической практике может отличаться от такового в регистрационном исследовании из-за строгих критериев включения в исследование. Поэтому был разработан набор данных реестра пациентов (PRiDe), чтобы собрать соответствующие данные клинической практики. Этот набор данных состоял из 457 пациентов из 91 лечебного центра в США. Пациенты, получавшие лечение и захваченные в PRiDe, имели mOS 9.6 месяцев по сравнению с 6,6 месяцами в группе монотерапии TTFields в регистрационном исследовании [44••, 51]. Годовая выживаемость также была выше: 44 % по сравнению с 20 % соответственно [44••, 51]. Разница в характеристиках выживаемости, скорее всего, связана с более высокой долей пациентов, получавших TTFields при первом рецидиве в PRiDe (33 %), чем в регистрационном исследовании (9 %). Лечение в более ранний момент времени в процессе прогрессирования заболевания может обеспечить более высокую эффективность, чем лечение в более поздний момент времени.Отсутствие предшествующего использования бевацизумаба также было благоприятным [51]. Тем не менее, неоднородность дополнительных методов лечения, используемых в сочетании с терапией TTFields в наборе данных PRiDe, которые включали цитотоксическую химиотерапию, бевацизумаб или даже альтернативную медицину, которые не были должным образом учтены, является важным предостережением, которое делает его статистически несопоставимым с группой монотерапии TTFields. в регистрационном суде.

Эффективность терапии TTFields при недавно диагностированной глиобластоме

Терапия TTFields в настоящее время тестируется у пациентов с глиобластомой после начальной лучевой терапии и сопутствующего ежедневного приема темозоломида.В этом исследовании фазы III 700 пациентов были рандомизированы в соотношении 2:1 для получения либо TTFields плюс адъювантный темозоломид, либо только темозоломид, соответственно [52, 53]. Первичной конечной точкой была ВБП. В заранее заданном промежуточном анализе первых 315 пациентов после минимального периода наблюдения в течение 18 месяцев у группы, получавшей лечение, получавшей TTFields плюс темозоломид, была более длительная ВБП, чем у когорты, получавшей только темозоломид (медиана 7,1 против 4,0 месяцев, HR 0,6; логарифмический ранг p  = 0,0014). MOS также отдает предпочтение группе TTFields плюс темозоломид (19.6 месяцев по сравнению с 16,6 месяцев, ЧСС 0,75; log-rank p  = 0,034), а также популяция согласно протоколу, которая начала второй цикл лечения (20,5 против 15,5 месяцев, HR 0,67; log-rank p  = 0,0072).

В исследуемой популяции не было непредвиденных нежелательных явлений. Гематологическая токсичность 3 и 4 степени между когортами TTFields плюс темозоломид и только темозоломид (12% против 9%), желудочно-кишечные расстройства (5% против 2%) и судороги (7% против 7%) существенно не различались.Реакция только кожи головы была более распространенной, чем те, у которых был только темозоломид.

Заключение и будущие направления

TTFields препятствует функционированию α-/β-тубулина и гетеротримера септина 2, 6, 7 в опухолевых клетках во время митоза. Клинические испытания фазы III показали благоприятный профиль токсичности при рецидивирующей глиобластоме и многообещающие данные об эффективности при впервые диагностированной глиобластоме. Компьютерное моделирование показало неоднородное распределение электрических полей в головном мозге. Будущие исследования, вероятно, будут включать комбинированное лечение, включая иммунную терапию, которое потенциально может повысить существующую эффективность монотерапии TTFields.

Благодарности

Частично поддерживается исследовательским фондом «A Reason To Ride».

Соблюдение этических норм

Конфликт интересов

Эдвин Лок заявляет об отсутствии конфликта интересов. Кеннет Д. Суонсон получил гранты от Novocure, Inc. Эрик Т. Вонг получил неограниченный грант на лабораторные исследования и гонорар за лекцию от Novocure.

Права человека и животных и информированное согласие

Эта статья не содержит каких-либо исследований с участием людей или животных, проведенных кем-либо из авторов.

Сноски

Эта статья является частью Тематического сборника по Нейроонкология

Список литературы

Недавно опубликованные статьи, представляющие особый интерес, были отмечены как: • важные •• особо важные

1.••. Кирсон Э.Д., Дбалы В., Товарис Ф., Вымазал Дж., Сустиэль Дж.Ф., Ицхаки А. и др. Переменные электрические поля останавливают пролиферацию клеток в моделях опухолей животных и опухолей головного мозга человека. Proc Natl Acad Sci U S A. 2007;104:10152–10157.doi: 10.1073/pnas.0702916104. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]2.••. Кирсон Э.Д., Гурвич З., Шнайдерман Р., Декель Э., Ицхаки А., Вассерман Ю. и др. Нарушение репликации раковых клеток переменными электрическими полями. Рак рез. 2004; 64: 3288–3295. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-04-0083. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 3.••. Гера Н., Ян А., Хольцман Т.С., Ли С.Х., Вонг Э.Т., Суонсон К.Д. Поля обработки опухоли нарушают локализацию септинов и вызывают аберрантный митотический выход. ПЛОС ОДИН.2015; 10 doi: 10.1371/journal.pone.0125269. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]4. Ли С. С., Вонг Э. Т., Суонсон К. Д. Нарушение клеточного деления в анафазе электрическими полями, воздействующими на опухоль (TTFields), приводит к иммуногенной гибели клеток. Нейроонкология. 2013;15:iii66–iii67. [Google Академия]5. Кирсон Э.Д., Гилади М., Гурвич З., Ицхаки А., Мордехович Д., Шнайдерман Р.С. и соавт. Переменные электрические поля (TTFields) препятствуют метастатическому распространению солидных опухолей в легкие. Clin Exp Метастаз.2009; 26: 633–640. doi: 10.1007/s10585-009-9262-y. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]6. Кирсон Э.Д., Шнейдерман Р.С., Дбалы В., Товарис Ф., Вымазал Дж., Ицхаки А. и соавт. Эффективность и чувствительность химиотерапевтического лечения повышают адъювантные переменные электрические поля (TTFields) BMC Med Phys. 2009; 9:1. дои: 10.1186/1756-6649-9-1. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]7. Chen H, Liu R, Liu J, Tang J. Ингибирование роста злокачественной меланомы переменными электрическими полями промежуточной частоты и лежащие в их основе механизмы.J Int Med Res. 2012;40:85–94. doi: 10.1177/147323001204000109. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]8. Лу Дж., Йе С., Фан Ф., Ся Л., Бхаттачарья Р., Беллистер С. и др. Эндотелиальные клетки способствуют фенотипу стволовых клеток колоректального рака через растворимую форму Jagged-1. Раковая клетка. 2013;23:171–185. doi: 10.1016/j.ccr.2012.12.021. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]9. Фэн Л., Сун Х., Чизмадиа Э., Хан Л., Бьян С., Мураками Т. и др. Сосудистый CD39/ENTPD1 напрямую способствует росту опухолевых клеток, очищая внеклеточный аденозинтрифосфат.Неоплазия. 2011;13:206–216. doi: 10.1593/neo.101332. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]10. Zhu C, Zhao J, Bibikova M, Leverson JD, Bossy-Wetzel E, Fan JB, et al. Функциональный анализ моторных белков человека на основе микротрубочек, кинезинов и динеинов, в митозе / цитокинезе с использованием РНК-интерференции. Мол Биол Селл. 2005;16:3187–3199. doi: 10.1091/mbc.E05-02-0167. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]11. Нези Л., Мусаккио А. Натяжение сестринских хроматид и контрольная точка сборки веретена.Curr Opin Cell Biol. 2009; 21: 785–795. doi: 10.1016/j.ceb.2009.09.007. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 12. Оливейра Р.А., Гамильтон Р.С., Паули А., Дэвис И., Насмит К. Расщепление когезина и ингибирование Cdk вызывают образование дочерних ядер. Nat Cell Biol. 2010;12:185–192. doi: 10.1038/ncb2018. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]13. Ge S, Skaar JR, Pagano M. Опосредованная APC/C и Mad2 деградация Cdc20 во время активации контрольной точки веретена. Клеточный цикл. 2009; 8: 167–171. doi: 10.4161/cc.8.1.7606. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]14. Field CM, Coughlin M, Doberstein S, Marty T, Sullivan W. Характеристика мутантов анилина выявляет важную роль в локализации септина и целостности плазматической мембраны. Разработка. 2005; 132: 2849–2860. doi: 10.1242/dev.01843. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 15. Грегори С.Л., Эбрахими С., Милвертон Дж., Джонс В.М., Бейсовек А., Сент-Р. Для деления клеток требуется прямая связь между RacGAP, связанным с микротрубочками, и аниллином в сократительном кольце.Карр Биол. 2008; 18:25–29. doi: 10.1016/j.cub.2007.11.050. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 16. Straight AF, Field CM, Mitchison TJ. Анилин связывает немышечный миозин II и регулирует сократительное кольцо. Мол Биол Селл. 2005; 16: 193–201. doi: 10.1091/mbc.E04-08-0758. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]17. Piekny AJ, Glotzer M. Анилин представляет собой каркасный белок, который связывает RhoA, актин и миозин во время цитокинеза. Карр Биол. 2008; 18:30–36. doi: 10.1016/j.cub.2007.11.068. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 18.Френетт П., Хейнс Э., Лолоян М., Кинал М., Пакариан П., Пьекни А. Комплекс анилин-Ect2 стабилизирует микротрубочки центрального веретена в коре во время цитокинеза. ПЛОС ОДИН. 2012; 7 doi: 10.1371/journal.pone.0034888. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]19. Джансанти М.Г., Бонаккорси С., Гатти М. Роль анилина в мейотическом цитокинезе самцов дрозофилы . Дж. Клеточные науки. 1999;112:2323–2334. [PubMed] [Google Scholar] 20. Гольдбах П., Вонг Р., Бейз Н., Сарпал Р., Тримбл В.С., Брилл Дж.А.Стабилизация актомиозинового кольца обеспечивает цитокинез сперматоцитов у Drosophila . Мол Биол Селл. 2010; 21:1482–1493. doi: 10.1091/mbc.E09-08-0714. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]21. Гилден Дж., Круммель М.Ф. Контроль жесткости коры цитоскелетом: новые роли септинов. Цитоскелет (Хобокен) 2010; 67: 477–486. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 22.•. Гилден Дж.К., Пек С., Чен Ю.К., Круммель М.Ф. Септиновый цитоскелет способствует ретракции мембраны во время подвижности и образования пузырей.Джей Селл Биол. 2012; 196:103–114. doi: 10.1083/jcb.201105127. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]23. Тули А.Дж., Гилден Дж., Якобелли Дж., Бимиллер П., Тримбл В.С., Киношита М. и др. Амебоидные Т-лимфоциты нуждаются в септиновом цитоскелете для целостности коры и постоянной подвижности. Nat Cell Biol. 2009; 11:17–26. дои: 10.1038/ncb1808. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]24. Хагивара А., Танака Ю., Хикава Р., Мороне Н., Кусуми А., Кимура Х. и др. Субмембранные септины как относительно стабильные компоненты актинового мембранного скелета. Цитоскелет (Хобокен) 2011; 68: 512–525. doi: 10.1002/см.20528. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 25. Ивон А.М., Уодсворт П., Джордан М.А. Таксол подавляет динамику отдельных микротрубочек в живых опухолевых клетках человека. Мол Биол Селл. 1999; 10: 947–959. doi: 10.1091/mbc.10.4.947. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]26. Лоу Дж., Ли Х., Даунинг К. Х., Ногалес Э. Уточненная структура альфа-бета-тубулина с разрешением 3,5 А. Дж Мол Биол. 2001; 313:1045–1057. doi: 10.1006/jmbi.2001.5077. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 27.Фелдер К.Э., Прилуски Дж., Силман И., Суссман Дж.Л. Сервер и база данных по дипольным моментам белков. Нуклеиновые Кислоты Res. 2007; 35:W512–W521. doi: 10.1093/nar/gkm307. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]28. Albertson R, Cao J, Hsieh TS, Sullivan W. Везикулы и актин направляются в борозду дробления через микротрубочки борозды и центральное веретено. Джей Селл Биол. 2008; 181:777–790. doi: 10.1083/jcb.200803096. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]29. Д’Авино П.П., Савойская М.С., Гловер Д.М.Образование борозды расщепления и ингрессия во время цитокинеза животных: наследие микротрубочек. Дж. Клеточные науки. 2005; 118:1549–1558. doi: 10.1242/jcs.02335. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 30. Ранкин К.Е., Вордеман Л. Длинные астральные микротрубочки отсоединяют митотические веретена от цитокинетической борозды. Джей Селл Биол. 2010;190:35–43. doi: 10.1083/jcb.201004017. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]31. Сираджуддин М., Фаркасовски М., Хауэр Ф., Кульманн Д., Макара И.Г., Вейанд М. и соавт. Структурное представление о формировании филаментов септинами млекопитающих.Природа. 2007; 449: 311–315. doi: 10.1038/nature06052. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 32. Гилади М., Шнайдерман Р.С., Порат Ю., Мюнстер М., Ицхаки А., Мордехович Д. и др. Нарушение митоза и снижение клоногенности клеток рака поджелудочной железы in vitro и in vivo при лечении опухолей. Панкреатология. 2014; 14:54–63. doi: 10.1016/j.pan.2013.11.009. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 33. Bowen JR, Hwang D, Bai X, Roy D, Spiliotis ET. Septin GTPases пространственно направляет организацию микротрубочек и динамику плюс-концов в поляризующемся эпителии.Джей Селл Биол. 2011; 194:187–197. doi: 10.1083/jcb.201102076. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]34. Хуан Х.К., Ши Дж., Орт Д.Д., Митчисон Т.Дж. Доказательства того, что митотический выход является лучшей мишенью для лечения рака, чем сборка веретена. Раковая клетка. 2009; 16: 347–358. doi: 10.1016/j.ccr.2009.08.020. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]35. Марголис Р.Л., Лохез О.Д., Андреассен П.Р. Контрольная точка тетраплоидии G1 и подавление онкогенеза. Джей Селл Биохим. 2003; 88: 673–683.doi: 10.1002/jcb.10411. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 36. Ганем Н.Дж., Пеллман Д. Ограничение пролиферации полиплоидных клеток. Клетка. 2007; 131:437–440. doi: 10.1016/j.cell.2007. 10.024. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 37. Senovilla L, Vitale I, Martins I, Tailler M, Pailleret C, Michaud M, et al. Механизм иммунного надзора контролирует плоидность раковых клеток. Наука. 2012; 337:1678–1684. doi: 10.1126/science.1224922. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 38.••. Кепп О., Сеновилла Л., Витале И., Ваккелли Э., Аджемиан С., Агостинис П. и др.Согласованное руководство по обнаружению иммуногенной гибели клеток. Онкоиммунология. 2014; 3 doi: 10.4161/21624011.2014.955691. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]39. Кепп О., Теньер А., Шлеммер Ф., Мишо М., Сеновилла Л., Зитвогель Л. и др. Иммуногенные механизмы гибели клеток и их влияние на лечение рака. Апоптоз. 2009; 14: 364–375. doi: 10.1007/s10495-008-0303-9. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]40. Асебес-Уэрта А., Лоренцо-Эрреро С., Фольгерас А.Р., Уэрго-Сапико Л., Лопес-Ларреа С., Лопес-Сото А., Гонсалес С.Вызванная лекарствами гиперплоидия стимулирует противоопухолевый ответ NK-клеток, опосредованный рецепторами NKG2D и DNAM-1. Онкоиммунология, 2015 г. doi: 10.1080/2162402X/2015.1074378. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] 41.•. Вонг Э.Т., Лок Э., Суонсон К.Д., Гаутам С., Энгельхард Х.Х., Либерман Ф. и др. Оценка ответа на NovoTTF-100A по сравнению с лучшей химиотерапией по выбору врача при рецидивирующей глиобластоме. Рак Мед. 2014;3:592–602. doi: 10.1002/cam4.210. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]42.••. Вонг Э.Т., Лок Э., Гаутам С., Суонсон К.Д.Дексаметазон оказывает сильное иммунологическое влияние на эффективность лечения рецидивирующей глиобластомы. Бр Дж Рак. 2015; 113: 232–241. doi: 10.1038/bjc.2015.238. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]43. Рулсе А.М., Келлер Дж., Кленер Дж., Сроубек Дж., Дбалы В., Сиручек М. и соавт. Долгосрочная выживаемость пациентов, страдающих мультиформной глиобластомой, получавших лечение опухолевыми полями. World J Surg Oncol. 2012;10:220. doi: 10.1186/1477-7819-10-220. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]44. ••. Ступп Р., Вонг Э.Т., Каннер А.А., Стейнберг Д., Энгельхард Х., Хайдеке В. и соавт. NovoTTF-100A по сравнению с химиотерапией по выбору врача при рецидивирующей глиобластоме: рандомизированное исследование фазы III нового метода лечения. Евр Джей Рак. 2012;48:2192–2202. doi: 10.1016/j.ejca.2012.04.011. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]45. Lacouture ME, Davis ME, Elzinga G, Butowski N, Tran D, Villano JL, et al. Характеристика и лечение дерматологических нежелательных явлений с помощью системы NovoTTF-100A, нового устройства антимитотического электрического поля для лечения рецидивирующей глиобластомы.Семин Онкол. 2014;41(Приложение 4):S1–S14. doi: 10.1053/j.seminoncol.2014.03.011. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]46. Back MF, Ang EL, Ng WH, см. SJ, Lim CC, Chan SP, et al. Улучшение средней выживаемости при мультиформной глиобластоме после введения адъювантной химиотерапии темозоломидом. Энн Академ Мед Сингапур. 2007; 36: 338–342. [PubMed] [Google Scholar]47. Rutz HP, Hofer S, Peghini PE, Gutteck-Amsler U, Rentsch K, Meier-Abt PJ, et al. Избегание назначения глюкокортикоидов в нейроонкологическом случае.Рак Биол Тер. 2005;4:1186–1189. doi: 10.4161/cbt.4.11.2232. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]48. McAdams ET, Jossinet J, Lackermeier A, Risacher F. Факторы, влияющие на импеданс интерфейса электрод-гель-кожа в электроимпедансной томографии. Med Biol Eng Comput. 1996; 34: 397–408. doi: 10.1007/BF02523842. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 49.•. Лок Э, Хуа В, Вонг и др. Компьютерное моделирование терапии переменными электрическими полями при рецидивах глиобластомы. Может мед. 2015; 4:1697–1699. doi: 10.1002/cam4.519. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]50. Рамос А., Морган Х., Грин Н.Г., Кастелланос А. Электрокинетика Ac: обзор сил в микроэлектродных структурах. J Phys D Appl Phys. 1998;31:2338. doi: 10.1088/0022-3727/31/18/021. [CrossRef] [Google Scholar]51. Мругала М.М., Энгельхард Х.Х., Динь Тран Д., Кью Ю., Кавальер Р., Виллано Д.Л. и др. Опыт клинической практики с системой NovoTTF-100A для лечения глиобластомы: набор данных регистра пациентов (PRiDe) Semin Oncol. 2014; 41 (Приложение 6): S4–S13.doi: 10.1053/j.seminoncol.2014.09.010. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]52. Ступп Р., Вонг Э., Скотт С., Тайлиберт С., Каннер А., Кесари С. и др. Промежуточный анализ NT-40 исследования EF-14: проспективное многоцентровое исследование NovoTTF-100A вместе с темозоломидом по сравнению с монотерапией темозоломидом у пациентов с недавно диагностированной глиобластомой. Нейроонкология. 2014;16:v167. [Google Академия]53. Ступп Р., Тайлиберт С., Каннер А.А., Кесари С., Стейнберг Д.М., Томс С.А. и соавт. Поддерживающая терапия с полями для лечения опухоли плюс темозоломид против только темозоломида при глиобластоме: рандомизированное клиническое исследование.JAMA 2015;314:2535–2543. [PubMed]

Переменные электрические поля нарушают рост опухоли глиобластомы в пилотном исследовании

Кирсон ЭД и др. . (2007) Переменные электрические поля останавливают пролиферацию клеток в моделях опухолей животных и опухолей головного мозга человека. Proc Natl Acad Sci USA 104 : 10152–10157

Низкоинтенсивные электрические поля средней частоты переменного направления («поля для лечения опухолей»; TTFields) останавливают рост рака в культуре и у мышей. дермальные опухоли, нарушающие цитокинез.Теперь Кирсон и др. . расширили свои более ранние эксперименты, чтобы показать, что TTFields эффективно и безопасно замедляет прогрессирование опухоли в различных животных моделях рака и у людей с рецидивирующей мультиформной глиобластомой, опухолью головного мозга с высокой устойчивостью к лечению.

В исследовании на животных разнонаправленные TTFields применялись через внешние электроды к опухолям у крыс, инокулированных клетками глиомы. Рост обработанных опухолей был значительно подавлен по сравнению с контрольными опухолями, и не было отмечено токсичности, связанной с лечением.На основании этих многообещающих результатов исследователи инициировали пилотное исследование лечения TTFields у 10 пациентов с мультиформной глиобластомой. Медиана общей выживаемости пациентов, получавших TTFields, была более чем в два раза выше, чем в исторической контрольной группе, основанной на литературных данных (62,2 недели против 29,3 ± 6 недель), а показатель выживаемости без прогрессирования через 6 месяцев составил 50% (95% ДИ). 23–77%) у пациентов, получавших TTFields, по сравнению с 15,3 ± 3,8% в контрольной группе. Кроме того, лечение очень хорошо переносилось и практически не наблюдалось побочных эффектов.

Это небольшое экспериментальное исследование представляет собой первый отчет о безопасности и эффективности TTFields для лечения рака. Хотя результаты являются предварительными, TTFields может представлять собой новый метод остановки пролиферации и индукции гибели клеток в опухолях. В настоящее время в США и Европе проводятся базовые многоцентровые клинические испытания.

Об этой статье

Процитировать эту статью

Переменные электрические поля препятствуют росту опухоли глиобластомы в экспериментальном исследовании. Nat Rev Neurol 3, 478 (2007). https://doi.org/10.1038/ncpneuro0569

Загрузить цитату

Поделиться этой статьей

Любой, с кем вы поделитесь следующей ссылкой, сможет прочитать этот контент:

Получить ссылку для общего доступа

Извините, ссылка для общего доступа в настоящее время недоступна доступны для этой статьи.

Предоставлено инициативой Springer Nature SharedIt по обмену контентом.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
  браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie
потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Влияние переменного магнитного поля крайне низкой частоты на поведение животных в присутствии геомагнитного поля

Известно, что геомагнитное поле может влиять на миграцию и хоуминг животных. Обнаружение магнитного поля у животных известно как магниторецепция и возможно благодаря двум различным механизмам передачи: первый через магнитные наночастицы, способные реагировать на геомагнитное поле, и второй через химические реакции под влиянием магнитных полей. Другое поведение — магнитное выравнивание, когда животные выравнивают свои тела по геомагнитному полю. Было замечено, что магнитное выравнивание крупного рогатого скота может быть нарушено вблизи линий электропередач по всему миру.Экспериментально известно, что переменные магнитные поля могут влиять на живые существа, но точный механизм неизвестен. Модель параметрического резонанса предлагает механизм для объяснения этого воздействия на живые существа и устанавливает, что в присутствии постоянного магнитного поля молекулы, связанные с биохимическими реакциями внутри клеток, могут поглощать резонансно переменные магнитные поля с определенными частотами. В настоящей статье сделан обзор магниторецепции животных и влияния переменных магнитных полей на живые существа. Высказывается предположение о том, как переменные магнитные поля могут влиять на магнитную ориентацию животных, и делается общий вывод: загрязнение переменным магнитным полем может влиять на магнитную чувствительность животных.

1. Введение

Живые существа чувствительны к магнитным полям. Для магнитных полей большой напряженности становится важным молекулярный диамагнетизм, и при соответствующих условиях можно наблюдать левитацию [1]. Интересно спросить о взаимодействии живых существ с магнитными полями, интенсивность которых подобна или ниже геомагнитного поля.В этом случае живые существа могут обнаруживать (ощущать) статические магнитные поля через специализированные структуры или органы, или на них могут влиять временные вариации этих магнитных полей. Магнитные поля, амплитуда которых не меняется во времени, называются магнитными полями постоянного тока. Переменные магнитные поля (ПМП) — это поля, амплитуда которых изменяется во времени. Геомагнитное поле (ГМП) представлено постоянной и переменной составляющими. Сумма постоянного и переменного магнитных полей называется комбинированным магнитным полем (КМП).Целью настоящей статьи является описание описанных выше ситуаций для обнаружения геомагнитного поля и техногенных переменных магнитных полей, колеблющихся на частотах ниже 100 Гц, с учетом амплитуд магнитного поля в диапазоне μ Тл и ниже, заканчивая предположением о связи обоих механизмов в процессе магниторецепции животных.

2. Геомагнитное поле

Живые существа рождаются и растут в присутствии нескольких физических полей, таких как гравитационное и геомагнитное поля.Некоторым образом живые существа подвержены влиянию физических характеристик ГМП из-за их длительного времени родства, поскольку ГМП столь же древний, как и начало жизни [2]. Вектор ГМП можно охарактеризовать тремя параметрами: амплитудой, наклоном (относительно вертикального направления) и склонением (относительно географической оси север-юг). Эти значения зависят от географических координат и могут быть рассчитаны с помощью геомагнитных калькуляторов, например, доступных в Национальном центре геофизических данных NOAA-США (http://www. ngdc.noaa.gov/geomag-web/#igrfwmm). Обсуждение общих характеристик ГМП не является целью данной статьи, поскольку существует большое количество учебников и обзорных статей (например, [3]).

ГМП генерируется в основном в недрах Земли, также свой вклад вносят внешние магнитные поля, генерируемые в магнитосфере и внешнем космосе. Основной вклад в ГМП можно понять как результат магнитного диполя в недрах Земли, но ГМП не является полностью дипольным.Некоторые области на поверхности Земли имеют аномальные значения ГМП, отличные от ожидаемых от диполярного [3]. В среднем амплитуда ГМП составляет около 50  мк Тл, а примером аномалии является Южноатлантическая геомагнитная аномалия (в настоящее время находится в Бразилии), где амплитуда ГМП самая низкая в мире, составляющая около 22  мк Тл. [4].

Во временном режиме параметры ГМП изменяются в течение больших периодов времени (от сотен до тысяч лет).Эти вариации известны как вековые вариации [3]. ГМП также имеет быстрые вариации во время геомагнитных бурь с характерными частотами от 0,001 Гц до 10 Гц [5] и суточные вариации с 12-часовым периодом, соответствующим световому дню [6]. Допустимо предположить, что по эволюционным причинам живые существа нечувствительны к вековым изменениям, потому что эти периоды больше, чем максимальная продолжительность жизни любого живого существа. С другой стороны, живые существа должны быть чувствительны к быстрым и ежедневным изменениям.

К геомагнитному полю добавляются искусственные магнитные поля, создаваемые линиями электропередач, электрическими цепями домов и приборами, проводящими переменный электрический ток частотой 50 или 60 Гц, производящие АМП с амплитудами порядка сотен нТл. Эти поля имеют период около 17  мс, что очень мало по сравнению с естественным ходом ГМП (12  часов для суточного хода и около минут или часов для геомагнитных бурь). Но даже в этом случае экспериментальные наблюдения показали, что АМП на очень низких частотах могут изменять поведение животных [7–10].

3. Обнаружение ГМП

3.1. Experimental Evidence

Первым свидетельством того, что ГМП может влиять на живые существа, было открытие магнитотактических бактерий. Впервые их наблюдал Сальваторе Беллини в 1963 г. [11, 12], а затем Блейкмор в 1975 г. [13]. Магнитотактические бактерии — это микроорганизмы, обладающие способностью выравнивать направление своего плавания с линиями геомагнитного поля, что известно как магнитотаксис. Для этого они биоминерализуют магнитные минералы в органеллах, известных как магнитосомы [14].Типичными магнитными минералами, обнаруженными у магнитотактических бактерий, являются наночастицы (средний размер от 50 до 100 нм) магнетита (Fe ₃ O ₄ ) или грейгита (Fe ₃ S ₄ ), обычно в форме геометрического кубо-октаэдра. , кубы или даже пулевидные формы [14]. Магнитосомы организованы в цитоплазме цепочками. Эти цепи сообщают бактериям магнитный момент, который позволяет им ориентироваться в пространстве. Эти бактерии могут быть обнаружены в виде кокков, вибрионов, спирилл или даже многоклеточных форм, известных как многоклеточные магнитотактические прокариоты [15].Они встречаются в водных отложениях, таких как морская среда, реки и озера. Считается, что магнитотактические бактерии используют свою магнитную способность, чтобы легко проникать в более глубокие осадки, в места, где концентрация кислорода оптимальна для них [16].

Магнитные наночастицы в цепочках магнитосом характеризуются как одиночные домены, что означает, что магнитный момент стабилен во времени и при изменении температуры, в отличие от суперпарамагнитных частиц [17]. В популяциях магнитотактических бактерий воздействие осциллирующих сильных магнитных полей (более 10 ⁵   мк Тл, 50 или 60 Гц) вызывает инверсию направления магнитного момента примерно у 50% популяции, что согласуется с идеей о том, что магнитосомы являются одиночными доменами [18].Наблюдение за взаимодействием магнитотактических бактерий с ГМП через магнитные наночастицы подтолкнуло к мысли, что животные должны обнаруживать ГМП по сходному механизму. У животных хорошо задокументировано использование векторной информации от GMF в задачах ориентации и навигации, способность, известная как магниторецепция [19]. Несколько лабораторных экспериментов показали, что социальные насекомые, такие как пчелы и муравьи, могут использовать информацию о магнитном поле в задачах ориентации [20]. У перелетных птиц на выбор направления полета влияет локальный ГМП [21].Другим явлением, которое в последнее время приобрело новый интерес, является магнитное выравнивание [22], которое связано с выравниванием оси тела по линиям ГМП или горизонтальной составляющей ГМП. Во-первых, он был идентифицирован у термитов, пчел и дрозофил [19]. Но это привлекло внимание, когда такое же поведение было выявлено у коров и оленей [23]. Также ориентацию оси тела на линии ГМП у карпа можно наблюдать в стоячей воде в аквариумах [24].

Анализ миграции и хоуминга у животных и их корреляции с различными магнитными стимулами позволяет идентифицировать два механизма магнитной ориентации [25]: (а) Компас полярности: в этом случае животное может ощущать горизонтальную составляющую ГМП, подобно компасу. , чтобы выяснить направление магнитного севера и использовать эту информацию в задачах по ориентированию, которые, скорее всего, будут использоваться животными при поиске пищи и миграциях на короткие расстояния. (б) Компас наклона: животное ощущает вертикальную составляющую ГМП. Это чувство позволяет животному определять полушарие Земли и направление на геомагнитный экватор, что, скорее всего, используется животными при миграциях на большие расстояния.

Эксперименты с черепахами и птицами [26] показали, что животные каким-то образом используют параметры геомагнитного поля для определения своего географического положения на Земле. Для объяснения такого поведения была предложена модель магнитной карты животных. Точные параметры, использованные в этой карте, неизвестны, и предполагается, что ими могут быть геомагнитное наклонение и интенсивность [27].

У разных видов птиц и других животных наблюдалось, что в некоторых случаях магниторецепция происходит просто в присутствии света, явление, известное как светозависимая магниторецепция [28, 29]. Этот тип магнитного обнаружения зависит также от длины волны, наблюдаемой у птиц, эффективной ориентации для коротких волн (<500 нм) и дезориентации для длинных волн (>500 нм) [30]. В ряде случаев светозависимый магниторецептор находится в глазах, а у некоторых птиц в глазу имеется латеральность с функцией магниторецепции [31, 32].У других животных магниторецепция экстраокулярная [33].

3.2. GMF Transduction

До настоящего времени магниторецепция объяснялась двумя возможными механизмами: трансдукцией через магнитные наночастицы или трансдукцией через светозависимые химические реакции с участием радикальных интермедиатов [34].

Преобразование через магнитные наночастицы, также известное как ферромагнитная гипотеза, было вдохновлено существованием магнитотактических бактерий. Это предполагает, что должен существовать специализированный орган или структура, способная обнаруживать магнитные поля [35].Внутри этого органа должны быть магнитные наночастицы, образующие цепочки или другую структуру, способную генерировать механические крутящие моменты или другие динамические эффекты в присутствии магнитных полей. Взаимодействие этих магнитных наночастиц с магнитным полем должно производить соответствующий клеточный сигнал, например, посредством механотрансдукции магнитного момента. Поскольку магнитные свойства магнитных наночастиц зависят от размера, были предложены разные возможности для суперпарамагнитных и однодоменных наночастиц.Однако во всех случаях важным моментом является то, что создаваемые крутящие моменты и деформации должны быть механически преобразованы [36]. Ферромагнитная гипотеза может быть проверена путем измерения намагниченности или выделения магнитных наночастиц из частей тела, где ожидается магнитный датчик. Магнитные наночастицы были выделены из голов и антенн муравьев [37], тел термитов [38], носов форелей [39, 40] и верхних клювов птиц [41] и других. Намагниченность измерялась, в частности, у насекомых [20] и боковой линии у рыб [42–44].Во всех этих случаях имеется корреляция между наличием магнитного материала и магниторецепцией у животного, подкрепляющая ферромагнитную гипотезу.

В случае светозависимой магниторецепции принято считать, что механизм связан со светочувствительными химическими реакциями с участием радикальных интермедиатов [45]. Этот механизм известен как радикальный парный механизм (РПМ). Некоторые данные свидетельствуют о том, что молекулой-мишенью для RPM является криптохром, присутствующий у бактерий у человека [46].Светозависимая химическая реакция производит пару радикалов в синглетном состоянии из предшественников основного состояния, а присутствие магнитных полей переводит часть пар радикалов из синглетного состояния в триплетное. Эти пары радикалов в синглетном или триплетном состоянии реагируют с образованием синглетных или триплетных продуктов с разной скоростью. В некотором роде изменение скорости производства этих продуктов изменяет то, как животное видит мир, позволяя ему определять магнитный визуальный ориентир [47].Конечно, последний механизм не является общим, поскольку у тритонов светозависимый магниторецептор находится не в глазах [48].

4. На магнитное выравнивание может влиять АМП частотой 50/60 Гц

Как упоминалось выше, было показано, что некоторые животные могут выравнивать ось своего тела с осью ГМП, явление, известное как магнитное выравнивание [19, 22] . Бурда и др. [9] показали, что магнитное выравнивание коров и оленей может быть нарушено вблизи высоковольтных линий электропередач в полевых условиях. Интересно, что для линий электропередач, ориентированных с востока на запад, генерирующих АМП, ориентированных с севера на юг, они наблюдали, что коровы преимущественно выравнивали свое тело по оси, смещенной примерно на 90° по отношению к оси ГМП.Для ЛЭП ориентированы с севера на юг, генерирующие АМП ориентированы с востока на запад, коровы ориентированы хаотично. Когда коров наблюдали на разном расстоянии от линий электропередач, они возвращались, чтобы выровнять свое тело по оси ГМП на расстоянии около 150 м. Интригует сдвиг на 90° для АМП, ориентированного с севера на юг. Возможны две интерпретации: коровы ориентируются в соответствии с ориентацией линии электропередач или взаимодействие между GMF и AMF вызывает этот сдвиг. Первую гипотезу можно исключить, так как при линии электропередачи, ориентированной с севера на юг, коровы дезориентировались, не следуя ориентации линии электропередач. С другой стороны, эти два наблюдения могут привести нас к выводу, что в дезориентации коров с ОМЖ задействованы два разных механизма: один связан с взаимодействием ОМЖ и ОМЖ, когда они параллельны, а другой связан с взаимодействием, когда они параллельны. перпендикуляр. В следующих разделах показаны экспериментальные доказательства воздействия АМП на биологические системы и одна модель, которая объясняет эти эффекты, предполагая взаимодействие между параллельными статическими и переменными магнитными полями.

5. Эффекты АМП: модели и экспериментальные данные

Имеются сообщения о том, что чрезвычайно слабые АМП (ВМП АМП) со значениями амплитуд магнитного поля в диапазонах мк Тл, нТл и даже рТл способны индуцировать статистически значимые эффекты в биологических системах. Следует отметить, что в большинстве случаев эксперименты с ВМП АМП проводятся при наличии статического ГМП. Более того, возможно, что для индукции эффектов АМП необходимо наличие постоянного магнитного поля (МП). В целом наблюдаемые эффекты являются результатом воздействия на биологические системы АМП или комбинированных МП переменного и постоянного тока (КМП), при этом компоненты постоянного и переменного тока могут быть ориентированы относительно друг друга произвольно.

5.1. Биологические эффекты АМП ВН мощных частот

Возможность индукции биологических эффектов АМП ВН представляет особый интерес для исследователей по нескольким причинам. Одна из них заключается в том, что АМП антропогенного происхождения рассматриваются как потенциальная угроза здоровью человека [49].В настоящее время во всем мире ведутся споры о рисках для здоровья, связанных с воздействием низкочастотных электромагнитных полей. В нескольких исследованиях описаны побочные эффекты, связанные с этими полями, в то время как в других не наблюдалось взаимодействия с биологическими системами [50–52].

Имеющиеся теоретические и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что АМП с частотой 50/60 Гц может вызывать биологические эффекты при амплитудах МП более 10  мк Тл, при этом возможность биологического действия АМП с амплитудами менее 10  μ Тл вызывает сомнения [53, 54]. Однако в нескольких экспериментальных работах показано влияние ВМП АМП на биологические системы. Среди экспериментальных исследований работы Liburdy et al. Следует отметить, которые продемонстрировали способность блокировать ингибирующее действие физиологических концентраций мелатонина и тамоксифена на рост клеток рака молочной железы человека (MSF-7) в культуре при воздействии на них синусоидального МП с частотой 60 Гц в диапазон мк Тл [55–57]. Важно отметить, что результаты Liburdy et al. [55] были подтверждены независимо в двух лабораториях [58, 59].Ишидо и др. [60] подтвердили эксперименты Либурди с использованием EW AMF 50 Гц. Либурди и др. [55] выявили существование порогового значения амплитуды поля (0,5–1,7  мк Тл), при котором начинает проявляться биоэффект. Другое исследование было посвящено влиянию синусоидальной АМП частотой 60 Гц с амплитудой от 1  мк Тл до 20   мк Тл на ферментативную активность орнитиндекарбоксилазы (ОДК) в культивируемых клетках фибробластов [61]. Они наблюдали усиление активности ОДК, вызванное воздействием АМП на культуральные клетки, что свидетельствует о сигмоидальной зависимости от амплитуды МП, а приблизительное удвоение активности ОДК наблюдалось при амплитуде поля 7  мк Тл или выше.

Биологическая эффективность МП порядка 1  мк Тл была показана в разных тест-системах и при различных сочетаниях частоты и амплитуды переменного тока. Фитцсиммонс и др. [62] наблюдали увеличение митохондриальной активности в клеточной культуре шипика HBV 155 с использованием синусоидального МП (  мк Тл,  Гц). Леднев и Малышев [63] показали, что синусоидальное магнитное поле (  μ Тл,  Гц) ингибирует Mg ²⁺ -АТФазную активность актомиозина в бесклеточной системе.В серии работ Темурьянц с соавт. показали влияние слабого АМП с частотой 8 Гц и амплитудой 5  мк Тл на ряд физиологических и биохимических показателей у крыс с гипокинезией. В частности, они показали, что в этих условиях ЭВ-АМФ корригирует липидный обмен [64], корректирует фагоцитарную активность нейтрофилов [65] и изменяет временную организацию физиологических процессов [66, 67].

Результаты экспериментов с использованием синусоидального ЭВ АМФ подтверждают вывод о наличии биологической активности АМФ на уровне 1–10  мк Тл.Известно, что амплитуды магнитных полей промышленной частоты (50 или 60 Гц) в большинстве жилых помещений колеблются от 0,01 до 1-2  мк Тл, а на отдельных рабочих местах могут достигать 5-6  мк Тл. Т [68]. Однако вопросы о механизме действия этих полей остаются открытыми.

5.2. EW AMF и геомагнитные пульсации и бури

В некоторых публикациях показаны корреляции между различными медицинскими или биологическими параметрами и геомагнитными возмущениями, возникающими во время магнитных бурь.

Геомагнитное поле представлено пульсациями с периодами от 0,2 с до 600 с, что соответствует полосе частот от 0,001 Гц до 5 Гц. Эта геомагнитная пульсация называется Рс или непрерывной пульсацией [68]. Есть предположение, что полоса частот Рс1 (0,5–2,0 Гц) совпадает с основными ритмами сердца, а пульсации Рс3 с периодами от 20 с до 40 с (такие квазипериоды наблюдались и в сердечном ритме), могли быть биотропными агентами магнитных бурь [69].

Многолетние наблюдательные исследования показали зависимость между количеством вызовов скорой помощи по поводу инфаркта миокарда, гипертонического криза, смертности лиц с сердечно-сосудистыми заболеваниями и общей продолжительностью магнитных пульсаций Рс с частотой 0.2 до 5,0 Гц и амплитуды в диапазоне от десятков до сотен пТл [70–74].

Экспериментальные исследования на кроликах показали, что воздействие магнитных бурь приводит к значительным изменениям морфофункционального состояния сердца и систем, связанных с его деятельностью [75]. В исследованиях с безжальными пчелами Schwarziana quadripunctata было замечено, что во время геомагнитных бурь направление полета при выходе из гнезда существенно меняется (вариации амплитуды около 50 нТл) [76].Такое же поведение наблюдалось у безжалой пчелы Tetragonisca angustula при моделировании геомагнитной бури в полевых условиях [77]. Крылов и др. [78] показали влияние Н-компонентов типичной магнитной бури, смоделированной в лаборатории, на раннюю эволюцию Daphnia magna . Оценка темпов раннего онтогенеза Daphnia показала, что действие магнитной бури с момента вспышки в раннем онтогенезе приводит к изменению размеров потомства в первых выводках.

5.3. Модель Леднева о влиянии EW AMF

Ранее российский физик В.В. Леднев на основе модели ионно-циклотронного резонанса [79] предложил модель параметрического резонанса, в которой считается, что ионы связаны с белками (Ca ²⁺ , K ⁺ и/или Mg ²⁺ ) ведут себя как изотропные связанные осцилляторы. Эти ионы могут служить первичными мишенями для КМП [80–82]. Рассматривая CMF как сумму параллельных полей переменного и постоянного тока, поле можно записать как .Теория Леднева показывает, что вероятность биологического воздействия КМП описывается квадратом функции Бесселя первого порядка: . Соответственно, резонансная частота формально соответствует циклотронной частоте [79] , где – заряд иона, – масса иона, а максимумы эффектов достигаются при . Такое же математическое предсказание можно получить, используя другой теоретический подход: анализ скорости затухающего иона под действием силы Лоренца [83]. В обоих случаях предсказание зависимости от конкретных значений проверено в нескольких экспериментах [84]. Для случая слабых (менее 10  мк Тл) экспериментально показано, что модель Леднева может описывать биологические эффекты (амплитудные и частотные зависимости) КМП, настроенного на частоту ларморовской прецессии для некоторых ядерных спинов, как ¹ H, ³⁹ K, ⁵⁵ Mn, ³¹ P, ³⁵ Cl, ⁶³ Cu, ²³ Na [85, 86].Эта модель позволяет рассчитывать параметры АМП, необходимые, с одной стороны, для достижения максимального эффекта, а с другой стороны, при известных экспериментальных параметрах АМП, для идентификации первичных мишеней [84, 87]. Экспериментальное подтверждение этого предположения в модели Леднева дают результаты, представленные в работах [88–90] с использованием двух тест-систем: планарий-регенерантов и гравитропной реакции растений. Результаты Беловой и соавт. [89] предполагают, что для полей промышленных частот (50 и 60 Гц) первичными мишенями являются спины ядер атомов водорода.

6. Нарушение обнаружения ГМП с помощью АМП

Как упоминалось выше, было замечено, что АМП 50/60 Гц может нарушать магнитное выравнивание [9]. Эти результаты интригуют и показывают интересную взаимосвязь: при АМП, параллельном ГМП, животные демонстрируют сдвиг выравнивания на 90°, а при АМП, перпендикулярном ГМП, животные дезориентировались. Эти наблюдения, по-видимому, связаны с двумя различными механизмами. Первый выполняет одну предпосылку для модели Леднева (AMF параллельно GMF).Второй можно объяснить, если предположить, что магнитные наночастицы в кластерах суперпарамагнитных частиц или взаимодействующих многодоменных железо-минеральных пластинках, участвующих в детектировании ГМП, или даже радикальных парных реакциях, возмущаются АМП, как показано Вандерстратеном и Гиллисом [91]. Vanderstraeten и Burda [92] обсуждают это явление и предлагают анализировать магнитосенсорные нарушения, вызванные низкочастотным AMF, а не точное определение AMF. Они не учитывают тот факт, что на АМП параллельно ГМП животные ориентируются на самом деле [9]. В этой ситуации, возможно, воздействие не на магнитосенсор, а на последующие этапы преобразования МП. Как упоминалось выше, модель Леднева предполагает, что связанные ионы, связанные с фундаментальными клеточными функциями, могут резонансно поглощать АМП, настроенные на циклотронную частоту иона, нарушая или усиливая его клеточную функцию. Поскольку модели, объясняющие магниторецепцию через магнитные наночастицы, предполагают, что эти частицы находятся внутри особых органелл, возможно, ионы, связанные с трансдукцией магнитного момента, могут резонансно поглощать АМП на собственных циклотронных частотах, изменяя восприятие МП животными.В некоторых системах механотрансдукции стресс вызывает клеточный приток Ca ²⁺ [93], этот ион считается основной мишенью биологических эффектов CMF. Таким образом, низкочастотные AMF могут нарушать некоторые этапы процесса преобразования GMF. Даже в случае криптохрома, связанного с радикально-парным механизмом, передача его сигнала в некоторых случаях может быть связана с притоком Ca ²⁺ [94], поскольку, возможно, низкочастотные АМП нарушают светозависимую магниторецепцию. Мы рекомендуем, чтобы будущие эксперименты, посвященные взаимосвязи между магниторецепцией и AMF 50/60 Гц, проводились с учетом резонансного поглощения Ca ²⁺ или других ионов, связанных с передачей магнитного сигнала.

Настоящее время характеризуется большим технологическим прогрессом, объединяющим электромагнитное загрязнение. Источниками этого загрязнения являются линии электропередач и мобильные передающие антенны, но на разных частотах. Недавно было показано, что электромагнитный шум в диапазоне частот от 50 кГц до 5 МГц может влиять на ориентацию по магнитному компасу перелетных птиц, полностью дезориентируя их [95].Результаты Burda et al. [9] показывают аналогичный результат для крайне низких частот у млекопитающих. Общий вывод из обоих исследований заключается в том, что загрязнение переменным магнитным полем с более высокими и более низкими частотами может повлиять на магнитную чувствительность животных, и политика сохранения животных должна учитывать это.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Д. Акоста-Авалос выражает признательность бразильскому агентству CNPq за финансовую поддержку и Н.Белова признательна CBPF за получение гранта PCI. Авторы благодарят доктора Дональда Эллиса из Северо-Западного университета за чтение и исправление английского языка.

5.22: Диэлектрический материал в переменном электрическом поле.

Мы видели, что, когда мы помещаем диэлектрический материал в электрическое поле, он становится поляризованным, и поле \(\textbf{D}\) теперь \(\epsilon\textbf{E}\), а не просто \(\epsilon_0\textbf{E}\). Но сколько времени нужно, чтобы стать поляризованным? Это происходит мгновенно? На практике существует огромный диапазон времени релаксации.{-1}=63\) процентов, или любая другая доля, которая может быть удобна в конкретном контексте — его конечной поляризации.) Время релаксации может быть практически мгновенным, а может составлять много часов.

Вследствие конечного времени релаксации, если мы поместим диэлектрический материал в колеблющееся электрическое поле \(E = \hat E \cos \omega t\) (например, если свет проходит через кусок стекла), будет отставание по фазе \(D \text{ отстает от }E\). \(D\) будет изменяться как \(D=\hat D \cos (\omega t-\delta)\).* \text{ is }\epsilon\), обычная диэлектрическая проницаемость в статическом поле.

Давайте представим, что у нас есть диэлектрический материал между пластинами конденсатора, и что переменная разность потенциалов приложена к пластинам. В некоторый момент плотность заряда \(\sigma\) на пластинах (равная \(D\)-полю) изменяется со скоростью \(\dot \sigma\), которая также равна скорости изменения \(\точка D\) \(D\)-поля), а ток в цепи равен \(A\точка D\), где \(A\) — площадь каждой пластины.Разность потенциалов между пластинами, с другой стороны, равна \(Ed\), где \(d\) — расстояние между пластинами. Мгновенная скорость диссипации энергии в материале равна \(AdE\dot D\), или, скажем, мгновенная скорость диссипации энергии в единице объема материала равна \(E\dot D\).

Предположим, что \(E = \hat E \cos \omega t\) и что \(D =\hat D \cos (\omega t − \delta )\), так что

\[\dot D = -\ шляпа D \omega \sin (\omega t -\delta ) =-\hat D \omega (\sin \omega t \cos \delta -\cos \omega t \sin \delta ). 2 \omega t\,dt = \pi \hat E \hat D \omega \sin \delta .\]

Так как потери энергии за цикл пропорциональны \(\sin \delta,\, \sin \delta\ ) называется коэффициентом потерь. (Иногда коэффициент потерь указывается как \(\tan \delta\), хотя это приблизительное значение только для малых углов потерь.)

Амплитуда переменного электромагнитного поля в соленоиде…

Контекст 1

… форма как ток возбуждения. Видно, что переменное электромагнитное поле тесно связано с частотой.Изменение частоты повлияет на изменение числового значения, а на это изменение, в свою очередь, повлияет положение. Зависимость амплитуды электромагнитного поля от частоты показана на рис. 6. На рис. 6 показана частотная зависимость амплитуды переменного электромагнитного поля в соленоиде. Из рис. 6а видно, что при частоте переменного тока менее 100 МГц амплитуда магнитного поля переменного тока практически не меняется, так как дополнительное магнитное поле, возбуждаемое . ..

Контекст 2

… изменение частоты повлияет на изменение числового значения, а на это изменение, в свою очередь, повлияет положение. Зависимость амплитуды электромагнитного поля от частоты показана на рис. 6. На рис. 6 показана частотная зависимость амплитуды переменного электромагнитного поля в соленоиде. Из рис. 6а видно, что при частоте переменного тока менее 100 МГц амплитуда переменного тока www.nature.com/scientificreports/ …

Контекст 3

… частоты повлияет на изменение числового значения, а на это изменение, в свою очередь, повлияет положение. Зависимость амплитуды электромагнитного поля от частоты показана на рис. 6. На рис. 6 показана частотная зависимость амплитуды переменного электромагнитного поля в соленоиде. Из рис. 6а видно, что при частоте переменного тока менее 100 МГц амплитуда переменного тока www.nature.com/scientificreports/ магнитное поле почти не меняется, потому что дополнительное магнитное поле, возбуждаемое низкочастотным переменным электрическим полем, очень слабое. Когда частота высока, затухание амплитуды очевидно, и магнитное поле, возбуждаемое …

Контекст 4

… можно игнорировать. По сравнению с двумя кривыми амплитуда аксиального магнитного поля, представленная кривыми, затухает с увеличением частоты, но магнитное поле вдали от оси (r = 2 см) затухает быстрее, что указывает на то, что магнитное поле ближе к центр менее чувствителен к изменению частоты.Из рис. 6б видно, что две кривые демонстрируют возрастающую тенденцию от нуля, что указывает на то, что переменное магнитное поле стимулирует индуцированное электрическое поле, а амплитуда электрического поля увеличивается с увеличением частоты. Подобно изменению магнитного поля, электрическое поле вдали от оси меняется быстрее, что свидетельствует о том, что …

Управление угловым моментом полета электромагнитной формации с использованием переменных магнитных полей